Könnten Kometen die Bausteine ​​des Lebens zu Ozeanwelten wie Europa, Enceladus und Titan geliefert haben?

Im Laufe der Erdgeschichte wurde die Oberfläche des Planeten regelmäßig von Kometen, Meteoriten und gelegentlich großen Asteroiden getroffen. Diese Ereignisse waren oft zerstörerisch und führten manchmal zu Massenaussterben. Sie könnten jedoch auch eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens auf der Erde gespielt haben. Dies gilt insbesondere für das Hadaikum (vor ca. 4,1 bis 3,8 Milliarden Jahren) und das späte schwere Bombardement, als die Erde und andere Planeten im inneren Sonnensystem von einer unverhältnismäßig hohen Anzahl von Asteroiden und Kometen getroffen wurden.

Diese Impaktkörper sollen das Wasser ins innere Sonnensystem gebracht haben und möglicherweise auch die Bausteine ​​des Lebens. Aber was ist mit den vielen eisigen Körpern im äußeren Sonnensystem, den natürlichen Satelliten, die Gasriesen umkreisen und in deren Inneren Ozeane aus flüssigem Wasser vorhanden sind (z. B. Europa, Enceladus, Titan und andere)?

Einer aktuellen Studie unter der Leitung von Forschern der Johns Hopkins University zufolge könnten Einschlagsereignisse auf diesen „Ozeanwelten“ erheblich zur Chemie an der Oberfläche und unter der Oberfläche beigetragen haben, was zur Entstehung von Leben hätte führen können.

Das Team wurde von der Planetenforscherin Shannon M. MacKenzie und ihren Kollegen am Applied Physics Laboratory (JHUAPL) der Johns Hopkins University geleitet. Zu ihnen gesellten sich Forscher der Thayer School of Engineering in Dartmouth, der University of Western Ontario, der School of Earth and Planetary Sciences der Curtin University, des Planetary Habitability Laboratory (PHL) an der UPR in Arecibo, Jacobs Technology, des Jet Propulsion Laboratory der NASA und der Astromaterials Research and Exploration Science (ARES) am NASA Johnson Space Center.

Der Papier Die Ergebnisse wurden kürzlich im Das Planetary Science Journal.

Exogenese

Wie in ihrem Artikel dargelegt, werden Einschläge von Asteroiden, Kometen und großen Meteoriten häufiger mit Zerstörung und Aussterben in Verbindung gebracht. Mehrere Belege deuten jedoch darauf hin, dass diese Art von Einschlägen möglicherweise die Entstehung von Leben auf der Erde vor etwa 4 Milliarden Jahren ermöglicht haben könnte.

Bei diesen Ereignissen entstanden nicht nur flüchtige Stoffe (wie Wasser, Ammoniak und Methan) und organische Moleküle, sondern moderne Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass dabei auch neue Substrate und Verbindungen entstanden, die für das Leben wesentlich sind.

Darüber hinaus schufen sie eine Vielzahl von Umgebungen, die für die Entstehung und Erhaltung des Lebens auf der Erde von wesentlicher Bedeutung waren. Wie die Forscher schrieben:

„Von außen zugeführte Materialien gelten als wichtige Quelle organischer Stoffe auf der frühen Erde. Stoßwellen könnten die Energie für die organische Synthese wichtiger Vorläufer wie HCN oder Aminosäuren liefern.

„Das Eisen und die Hitze von sehr großen Impaktkörpern können die reduzierenden atmosphärischen Bedingungen fördern, die für eine reichliche HCN-Produktion erforderlich sind. Impaktkörper zerbrechen und schmelzen bei typischen terrestrischen Ereignissen das Ziel: Die durchlässigeren Substrate und die Aushöhlung tieferer Gesteinsschichten fördern hydrothermale Aktivität und endolithische Lebensräume.“

Jüngsten Fossilfunden zufolge entstanden die ersten Lebensformen auf der Erde vor etwa 4,28 Milliarden Jahren. Diese Fossilien wurden aus Niederschlägen hydrothermaler Quellen im Nuvvuagittuq Greenstone Belt im Norden Quebecs in Kanada geborgen und bestätigen, dass hydrothermale Aktivität eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens auf der Erde spielte.

Aber was ist mit den vielen „Ozeanwelten“, die sich im äußeren Sonnensystem befinden? Dazu gehören Himmelskörper wie Europa, Ganymed, Enceladus und Titan sowie die Uranusmonde Ariel und Titania, Neptuns Mond Triton und transneptunische Himmelskörper wie Pluto, Charon und möglicherweise noch weitere.

Ozeanwelten

Dieser Begriff bezieht sich auf Körper, die überwiegend aus flüchtigen Elementen wie Wasser bestehen und sich zwischen einer Eiskruste und einem felsigen und metallischen Kern unterscheiden. An der Kern-Mantel-Grenze führt die Gezeitenbewegung (das Ergebnis der Gravitationswechselwirkung mit einem anderen Körper) zu einer Ansammlung von Wärme und Energie, die über hydrothermale Quellen in das Eis freigesetzt wird.

Dadurch können diese Welten Ozeane aus flüssigem Wasser in ihrem Inneren bewahren. Kurz gesagt, diese Welten verfügen über alle notwendigen Zutaten für Leben: Wasser, die erforderlichen chemischen Verbindungen und Energie.

Darüber hinaus bestätigten Daten der NASA/ESA-Mission Cassini-Huygens, dass die regelmäßig aus der südlichen Polarregion von Enceladus austretenden Fontänen organische Moleküle enthalten. Nicht zuletzt weist das Vorhandensein von Oberflächenkratern darauf hin, dass diese Körper im Laufe ihrer Geschichte Oberflächeneinschlägen ausgesetzt waren.

Es stellt sich natürlich die Frage: Könnten Einschläge die notwendigen Bausteine ​​des Lebens auf die „Ozeanwelten“ auf die gleiche Weise gebracht haben, wie sie sie in das innere Sonnensystem gebracht haben? Und wenn ja, was bedeutet das für ihre potenzielle Bewohnbarkeit heute? Wie das Team in seinem Artikel schrieb:

„Einschlagsprozesse sind wahrscheinlich ein wichtiger Teil der Antworten auf diese Fragen, da Einschläge den Austausch durch die Eiskruste vorantreiben können – entweder durch direktes Einsäen oder durch Durchspülen der Kruste – und daher episodische Einströme von organischen und anorganischen Materialien von der Oberfläche und/oder vom Einschlagkörper selbst bewirken können. Einschläge können auch flüchtige Mikrokosmen erzeugen: Jegliches flüssige Wasser, das während des Einschlags geschmolzen ist, gefriert über Zeiträume, die der Einschlagsenergie entsprechen.“

„Das spannende Potenzial für die Chemie in diesen Taschen wurde bereits nachgewiesen, von der Salzkonzentration bis hin zur Aminosäuresynthese. Darüber hinaus kann die schockgetriebene Chemie eisiger, manchmal organischer (insbesondere im Fall von Titan) Zielmaterialien neue „Keim“-Verbindungen (z. B. Aminosäuren oder Nukleotide) im Schmelzbad erzeugen.“

Untersuchung

Der erste Schritt für MacKenzie und ihr Team bestand darin, die anfänglichen Schockwerte zu untersuchen, die bei den häufigsten Einschlägen auf Ozeanwelten entstehen – Kometen, die wahrscheinlich aus dem Kuipergürtel und der Oortschen Wolke stammen. Dazu berechnete das Team die Geschwindigkeiten und den maximalen Druck, die bei Einschlägen von eisigen und felsigen Körpern entstehen würden.

Sie haben auch berücksichtigt, wie sich dies je nach Art (primärer oder sekundärer Einschlag) und den beteiligten Systemen (z. B. Jupiter oder Saturn) unterscheiden würde. Während bei primären Einschlägen Kometen oder Asteroiden beteiligt sind, werden sekundäre Einschläge durch die von ihnen erzeugten Auswürfe verursacht.

Im Falle der Jupiter- und Saturnsysteme können sekundäre Impaktkörper je nach ihrem Ursprungsort eisig oder felsig sein (ein eisiger Körper wie Europa, Enceladus und Titan, ein felsiger Körper wie Io und größere Asteroiden). Während primäre Impaktkörper höhere Geschwindigkeiten aufweisen und größere Schmelzvolumina erzeugen, sind sekundäre Impaktkörper häufiger.

Um die Größe der Schmelze zu bestimmen, zog das Team beobachtete Kratergrößen auf Europa, Enceladus und Titan heran sowie dynamische Modelle, die die kumulative Kraterbildungsrate über die Zeit berechnen. Anschließend verglichen sie die Spitzendrücke beim Aufprall mit Schwellenwerten für die Überlebensfähigkeit lebenswichtiger Elemente, organischer Moleküle, Aminosäuren und sogar Mikroben, die in früheren Studien identifiziert wurden.

Daraus schlossen sie, dass die meisten Einschläge auf Europa und Enceladus Spitzendrücken ausgesetzt sind, die höher sind als das, was Bakteriensporen überleben können. Sie stellten jedoch auch fest, dass eine beträchtliche Menge Material diese Einschläge überlebt und dass höhere Drücke beim ersten Kontakt auch die Synthese organischer Verbindungen im Schmelzwasser erleichtern könnten, das die Krater füllt.

Unterdessen waren die Einschläge auf Titan und Enceladus im Durchschnitt geringeren Aufprallgeschwindigkeiten ausgesetzt, wodurch Spitzendrücke entstanden, die sowohl für Bakteriensporen als auch für Aminosäuren innerhalb des Toleranzbereichs liegen.

Der nächste Schritt bestand darin, zu untersuchen, wie lange frische Krater überleben würden und ob dies für die Synthese biologischer Materialien ausreichen würde. Basierend auf den beobachteten Kratergrößen auf Enceladus und Europa stellten sie fest, dass die langlebigsten Krater nur wenige hundert Jahre bestehen, während es auf Titan Jahrhunderte bis Zehntausende von Jahren dauern kann, bis frische Krater gefrieren.

Während auf Europa und Enceladus aufgrund der dichten Atmosphäre Titans mehr Hochgeschwindigkeitseinschläge stattfinden, besteht auf allen drei Körpern aufgrund der Langlebigkeit der Krater Titans die Möglichkeit, dass organisch-chemische Experimente stattfinden.

Sie betrachteten auch die Oberflächenerneuerungsraten von Europa, Enceladus und Titan und wie diese biologisches Material in ihr Inneres transportieren würden. In allen drei Fällen haben die Satelliten relativ „junges“ Terrain, was auf regelmäßige Oberflächenerneuerungen schließen lässt.

Ergebnisse

Basierend auf diesen Überlegungen kamen Mackenzie und ihr Team zu dem Schluss, dass Schmelzen durch Kometeneinschläge auf Europa, Enceladus und Titan häufig und lang genug waren, um von astrobiologischem Interesse zu sein. Dies variiert jedoch je nach Zusammensetzung der Kometen und des betreffenden Oberflächeneises. Sie fassten zusammen:

„Auf Europa und Enceladus ist das Überleben und die Ablagerung von organischen Stoffen aus Impaktkörpern wichtiger, da es dort weniger organische Stoffe an der Oberfläche innerhalb der Eiskruste gibt, die das Schmelzwasserbecken säen könnten. Auf Titan könnte das Überleben von Elementen wie Phosphor wichtiger sein.

„Somit tragen selbst die kleinen, häufigeren Einschlagsereignisse zum astrobiologischen Potenzial bei, indem sie weniger veränderte Verbindungen an die Oberfläche liefern, die entweder für eine sofortige Reaktion bei der Entstehung von Schmelze oder für eine spätere Verarbeitung (auch bei nachfolgenden Einschlagsereignissen) zur Verfügung stehen.“

Sie stellten beispielsweise fest, dass ein Komet, der mit der durchschnittlichen Aufprallgeschwindigkeit auf Europa einschlägt, einen 15 km (9,3 Meilen) großen Krater erzeugen und etwa 1 km³ (0,24 Meilen) Schmelzwasser liefern würde.

Anhand der Häufigkeit von Glycin (einer essentiellen Aminosäure), die auf dem Kometen 67P Churyumov–Gerasimenko gefunden wurde, kamen sie zu dem Schluss, dass einige ppm überleben würden – ungefähr drei Größenordnungen mehr als die beobachtete Bildung rund um hydrothermale Quellen hier auf der Erde.

„Auf diese Weise erzeugen Impaktkörper die chemischen Vorgänge in der Schmelze und liefern, je nach Zusammensetzung des Impaktkörpers, organische und andere wichtige Elemente“, fügten sie hinzu.

Dies bedeutet zwar nicht unbedingt, dass diese und andere „Ozeanwelten“ derzeit bewohnbar sind oder aktives Leben unterstützen, sie weisen jedoch Potenzial für künftige Studien auf.

In den kommenden Jahren werden Missionen wie der JUpiter ICy Moons Explorer (JUICE) der ESA und die Europa Clipper- und Dragonfly-Missionen der NASA Ganymed, Europa und Titan erreichen. Außerdem gibt es Pläne, einen Enceladus-Orbiter zu bauen, der dort weitermachen soll, wo die Cassini-Huygens-Sonde aufgehört hat, indem er die Aktivität der Enceladus-Plume genauer untersucht.

Daher könnte die Entnahme und Analyse von Proben vor Ort auf diesen Monden wichtige Erkenntnisse über präbiotische chemische Prozesse liefern und Aufschluss darüber geben, unter welchen Bedingungen Leben entstehen kann. Diese Probenuntersuchungen werden auch die größere Frage beantworten, ob im Inneren von „Ozeanwelten“ Leben existieren könnte, und einen Vorgeschmack darauf geben, was zukünftige Missionen zur Erkundung des Eises finden werden.