Als das Raumschiff Voyager der NASA den Saturnmond Enceladus besuchte, fanden sie einen Körper mit jungen, reflektierenden, eisigen Oberflächenmerkmalen. Einige Teile der Oberfläche waren älter und mit Kratern markiert, aber der Rest war eindeutig wieder aufgetaucht. Es war ein klarer Beweis dafür, dass Enceladus geologisch aktiv war. Der Mond befindet sich auch in der Nähe des Saturn-E-Rings, und Wissenschaftler glauben, dass Enceladus die Quelle des Materials in diesem Ring sein könnte, was weiter auf die geologische Aktivität hinweist.
Seitdem haben wir viel mehr über den kalten Mond gelernt. Es hat mit ziemlicher Sicherheit einen warmen und salzigen unterirdischen Ozean unter seinem eisigen Äußeren, was es zu einem Hauptziel bei der Suche nach Leben macht. Das Cassini-Raumschiff entdeckte molekularen Wasserstoff – eine potenzielle Nahrungsquelle für Mikroben – in Federn, die aus dem unterirdischen Ozean von Enceladus stammen, und dies führte zu Gesprächen über das Potenzial des Mondes, Leben zu beherbergen.
In einem neuen Artikel wird die Modellierung verwendet, um die Chemie von Enceladus besser zu verstehen. Das dahinter stehende Forscherteam sagt, dass der unterirdische Ozean eine Vielzahl von Chemikalien enthalten könnte, die eine vielfältige Gemeinschaft von Mikroben unterstützen könnten.
Was die Suche nach Leben anderswo im Sonnensystem angeht, aktiviert Enceladus viele Kästchen. Der sechstgrößte Saturnmond hat einen Durchmesser von etwa 500 km und scheint einen globalen Ozean unter einer Eisdecke begraben zu haben. Und dieser Ozean ist wahrscheinlich warm und salzig und enthält einige interessante Chemikalien. Laut der neuen Forschung gibt es unter diesen Chemikalien mehrere Wege, die das Leben unterstützen könnten.
Dieses farbige Voyager 2-Bildmosaik zeigt die mit Wassereis bedeckte Oberfläche von Enceladus. Teile der Mondoberfläche sind alt und kraterförmig, andere Teile sind jung und hell, was auf geologische Aktivität hinweist. Bildnachweis: NASA / JPL / USGS
Der Titel des Papiers lautet „Oxidationsprozesse diversifizieren das Stoffwechselmenü von Enceladus“. Die Hauptautorin ist Christine Ray, Ph.D. Student am Institut für Physik und Astronomie der University of Texas, San Antonio. Ray ist außerdem Mitglied der Abteilung für Weltraumwissenschaften und -technik am Southwest Research Institute (SwRI). Das Papier wurde in der Zeitschrift Science Direct veröffentlicht.
Diese Arbeit wurde durch Cassinis Entdeckung von molekularem Wasserstoff in Dampfwolken aus Enceladus vorangetrieben.
“Der Nachweis von molekularem Wasserstoff (H2) in der Wolke zeigte, dass im Ozean von Enceladus freie Energie verfügbar ist”, sagte der Hauptautor Ray in einer Pressemitteilung. „Auf der Erde verbrauchen Kreaturen, die aerob oder sauerstoffatmend sind, Energie in organischen Stoffen wie Glukose und Sauerstoff, um Kohlendioxid und Wasser zu erzeugen. Anaerobe Mikroben können Wasserstoff zu Methan metabolisieren. Alles Leben kann zu ähnlichen chemischen Reaktionen destilliert werden, die mit einem Ungleichgewicht zwischen Oxidations- und Reduktionsmittelverbindungen verbunden sind. “
Das Ungleichgewicht, auf das sich Ray bezieht, erzeugt einen lebenswichtigen Energiegradienten. Der Energiegradient ermöglicht den Energieaustausch zwischen einem Organismus und seiner Umgebung. Prozesse um diese Gradienten sind für viele Aspekte der Biologie wie Photosynthese und Atmung von entscheidender Bedeutung. Wenn sich ein System im Gleichgewicht befindet, gibt es keinen Energiegradienten, wodurch eine Barriere für das Leben entsteht.
Als molekularer Wasserstoff in den von Enceladus stammenden Federn entdeckt wurde, zeichnete er eine Parallele zu den hydrothermalen Quellen der Tiefsee hier auf der Erde. In diesen Quellen liefert Wasserstoff eine Energiequelle für ein gesamtes Ökosystem. Die Leute fragten sich sofort, ob dies auch für Enceladus gelten könnte.
Aber diese Studie geht noch weiter. Die Autoren wollten wissen, ob es andere Energiepfade im Ozean von Enceladus geben könnte, die dem Leben förderlich sind.
“Wir haben uns gefragt, ob andere Arten von Stoffwechselwegen auch Energiequellen im Ozean von Enceladus liefern könnten”, sagte Ray. “Da dies einen anderen Satz von Oxidationsmitteln erfordern würde, den wir in der Wolke von Enceladus noch nicht entdeckt haben, haben wir chemische Modelle durchgeführt, um festzustellen, ob die Bedingungen im Ozean und im felsigen Kern diese chemischen Prozesse unterstützen könnten.”
Künstler-Rendering, das einen inneren Querschnitt der Kruste von Enceladus zeigt, der zeigt, wie hydrothermale Aktivität die Wasserfahnen an der Mondoberfläche verursachen kann. Credits: NASA-GSFC / SVS, NASA / JPL-Caltech / Southwest Research Institute
Wenn es um Enceladus und das Leben geht, ist die Verfügbarkeit von Energie der Schlüssel. Die Autoren schreiben in ihrer Arbeit, dass „Verbindungen, die für Stoffwechselreaktionen verwendet werden könnten, in Ungleichgewichtskonzentrationen vorliegen müssen, damit die Biologie der Umwelt Energie entziehen kann, um das System in Richtung Gleichgewicht zu bringen.“
Cassini hat uns gezeigt, dass es dank molekularem Wasserstoff mindestens einen Lebensweg gibt. Die notwendigen Chemikalien sind vorhanden, damit die Methanogenese stattfinden kann. Dann oxidiert molekularer Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan. Dieser Weg ist auf der Erde üblich, auch im menschlichen Darm, wo Archaeen Methanogenese verwenden.
Da es in der Nähe von Enceladus kein Raumschiff gibt und keine Möglichkeit besteht, die benötigten Daten zu erfassen, wandte sich das Team Modellen zu. Sie fragten sich, ob bei Enceladus andere Oxidationsmittel als Kohlendioxid vorhanden sein könnten, möglicherweise unterhalb von Cassinis Nachweisschwelle, die einen weiteren Lebensweg darstellen könnten.
Cassini-Bilder des von der Sonne hinterleuchteten Saturnmondes Enceladus zeigen die brunnenartigen Quellen des feinen Materialsprays, der die Südpolregion überragt. Dieses Bild wurde mehr oder weniger mit der Breitseite aufgenommen und zeigt die in früheren Enceladus-Bildern beobachteten „Tigerstreifen“ -Frakturen. Es zeigt diskrete Federn verschiedener scheinbarer Größen über dem Rand des Mondes. Dieses Bild wurde am 27. November 2005 aufgenommen. Bildnachweis: NASA / JPL / Space Science Institute
Worum es in dieser Studie wirklich geht, ist die Beziehung zwischen Energie und Biologie. Um diese Beziehung zu Enceladus zu untersuchen, konzentrierten sich die Autoren auf zwei Schlüsselkonzepte: chemische Affinität und Energiefluss.
Chemische Affinität ist die Fähigkeit unterschiedlicher Chemikalien, Verbindungen zu bilden, und laut den Autoren ist es auch „… die Menge an freier Energie, die aus einer Stoffwechselreaktion verfügbar ist“. Der Energiefluss „… bestimmt, wie viel Biomasse im stationären Zustand unterstützt werden kann“, so die Autoren. Ein Großteil davon ist auf Oxidationsmittel zurückzuführen. Im Wesentlichen bestimmt die Oxidationsmittelproduktion, wie viel Energie für das Leben verfügbar ist.
Die Autoren wollten die Oxidationsmittelproduktion auf Enceladus aus zwei Gründen modellieren: „1) das Oxidationsmittelbudget oder die Konzentrationen und Flüsse von metabolisch signifikanten Oxidationsmitteln im Ozean einschränken und 2) bestimmen, ob diese zusätzlichen Stoffwechselwege ausreichend Energie für das Leben liefern könnten. ”
Um all das zu untersuchen, haben sie drei verschiedene Fälle modelliert, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Diese Tabelle aus der Studie zeigt die Gesamtzahl der Zellen, die aus unserer Liste der metabolischen Redoxreaktionen gestützt werden könnten, basierend auf dem Energiebedarf für die Aufrechterhaltung der Chemostat-Zellkulturen. Zellen können durch alle unsere in Betracht gezogenen aeroben und anaeroben Reaktionen unterstützt werden, außer in einigen Fällen des Falles II, in denen die Energieflüsse nicht ausreichten, um ein Leben zu unterstützen. Somit sind die entsprechenden Zellenzahlen gleich Null. Bildnachweis: Ray et al 2020.
Was haben sie gefunden?
“Dieses neue Papier ist ein weiterer Schritt, um zu verstehen, wie ein kleiner Mond das Leben auf eine Weise erhalten kann, die unsere Erwartungen völlig übertrifft!”
Hunter Waite, Co-Autor, SwRI-Programmdirektor.
Sie fanden heraus, dass nach ihren Modellen genügend Oxidationsmittel produziert werden könnten, um andere Lebenswege zu schaffen. Oberflächeneis könnte durch Energie abgebaut werden und Oxidationsmittel freisetzen. Dies kann auf verschiedene Arten geschehen.
„Wir haben gezeigt, dass die Produktion von radiolytischen Oxidationsmitteln auf Enceladus zu Redox-Ungleichgewichten im Ozean führen kann, die Energie zur Unterstützung des mutmaßlichen Lebens liefern können. Die Radiolyse von Oberflächeneis in Verbindung mit dem Transport von Eis zum Ozean in der geologisch aktiven Tigerstreifenregion kann bis zu 9,4 × 1015 Mol O2 und 3,3 × 1016 Mol H2O2 liefern “, schreiben sie in ihrer Studie.
Im Jahr 2005 zeigten Daten von Cassini, dass die sogenannten „Tiger Stripe“ -Funktionen in der Südpolregion von Enceladus warme Stellen sind. Bild: NASA / JPL / GSFC / SwRI / SSI
Sie fanden auch heraus, dass der Zerfall eines radioaktiven Kaliumisotops (K) Oxidationsmittel produzieren könnte.
“Elektronen und Gammastrahlen, die durch den Zerfall von 40K-Atomen im Ozean freigesetzt werden, können weitere 4,2 × 1016 Mol O2 und 1,4 × 1015 Mol H2O2 direkt im Ozean erzeugen.”
“Wir haben unsere Schätzungen der freien Energie mit den Ökosystemen auf der Erde verglichen und festgestellt, dass unsere Werte für den aeroben und den anaeroben Stoffwechsel insgesamt die Mindestanforderungen erfüllen oder übertreffen”, sagte Ray in der Pressemitteilung. “Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Oxidationsmittelproduktion und die Oxidationschemie dazu beitragen könnten, ein mögliches Leben und eine metabolisch vielfältige mikrobielle Gemeinschaft auf Enceladus zu unterstützen.”
Diese Zahl aus der Studie zeigt die Menge an molekularem Wasserstoff, molekularem Sauerstoff und Wasserstoffperoxid, die aufgrund des Zerfalls von Kalium 40 im Laufe der Zeit erzeugt wird. Bildnachweis: Ray et al., 2020.
Das an sich ist aufregend. Aber es gibt noch mehr.
“Nachdem wir potenzielle Nahrungsquellen für Mikroben identifiziert haben, lautet die nächste Frage: Was ist die Natur der komplexen organischen Stoffe, die aus dem Ozean kommen?”, Sagte SwRI-Programmdirektor Dr. Hunter Waite, Mitautor von das neue Papier. “Dieses neue Papier ist ein weiterer Schritt, um zu verstehen, wie ein kleiner Mond das Leben auf eine Weise erhalten kann, die unsere Erwartungen völlig übertrifft!”
“Wir müssen vorsichtig sein, aber ich finde es aufregend darüber nachzudenken, ob es seltsame Lebensformen gibt, die diese Energiequellen nutzen, die für die Arbeit von Enceladus von grundlegender Bedeutung zu sein scheinen.”
Dr. Christopher Glein, Co-Autor, SwRI Senior Research Scientist
Wie viele Modellierungen und Forschungen auf anderen Welten sind diese Ergebnisse sowohl verlockend als auch ein wenig frustrierend. Wir müssen auf eine weitere Mission nach Enceladus warten, um sie zu bestätigen oder auszuschließen. Wir brauchen ein anderes Raumschiff, hoffentlich mit feineren Instrumenten, um durch Enceladus ‘Federn zu reisen und mehr Messungen durchzuführen.
Die “Brunnen” von Enceladus. Bildnachweis: NASA / JPL / SSI
“Ein zukünftiges Raumschiff könnte durch die Wolke von Enceladus fliegen, um die Vorhersagen dieses Papiers über die Häufigkeit oxidierter Verbindungen im Ozean zu testen”, sagte Dr. Christopher Glein, Senior Research Scientist bei SwRI, ein weiterer Mitautor. “Wir müssen vorsichtig sein, aber ich finde es aufregend darüber nachzudenken, ob es seltsame Lebensformen gibt, die diese Energiequellen nutzen, die für die Arbeit von Enceladus von grundlegender Bedeutung zu sein scheinen.”
Eine Mission für Enceladus befindet sich derzeit in der Konzeptphase. Der Enceladus Life Finder der NASA ist ein Vorschlag, einen solarbetriebenen Orbiter an Enceladus zu senden. Der Life Finder würde den Saturn umkreisen, aber wiederholt durch Enceladus ‘Dampfwolken fliegen und Messungen durchführen. Es wurde 2017 vorgeschlagen, aber nicht ausgewählt, aber die Idee lebt noch.
Eine künstlerische Illustration der Federn von Enceladus. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech
Das letzte Wort geht vorerst an die Autoren. In ihrer Schlussfolgerung schreiben sie: „Wir haben gezeigt, dass zusätzlich zur Methanogenese aerobe und / oder anaerobe Reaktionen in jedem unserer drei Fälle den Mindestbedarf an freier Energie für das Leben auf der Erde erfüllen können, Gmin, und Wartungsenergie zur Unterstützung bereitstellen können Zellleben in Enceladus. “
“Die Produktion von radiolytischen Oxidationsmitteln und die Redoxchemie im Ozean und am Meeresboden von Enceladus können daher Stoffwechselprozesse über die Methanogenese hinaus unterstützen und die Möglichkeit für eine metabolisch vielfältige mikrobielle Gemeinschaft im Ozean von Enceladus schaffen.”
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