Laut Forschern verfügt Enceladus über alle Rohstoffe für Leben

Der Ozeanmond des Saturn, Enceladus, erregt bei der Suche nach Leben in unserem Sonnensystem zunehmend Aufmerksamkeit. Das meiste, was wir über Enceladus und seinen eisbedeckten Ozean wissen, stammt von der Cassini-Mission. Cassini beendete seine Erforschung des Saturnsystems im Jahr 2017, aber Wissenschaftler arbeiten noch immer an seinen Daten.

Neue auf Cassini-Daten basierende Forschungsergebnisse untermauern die Annahme, dass Enceladus über die für das Leben notwendigen Chemikalien verfügt.

Während seiner Mission entdeckte Cassini geysirartige Wasserfahnen, die durch die eisige Hülle von Enceladus brachen. Im Jahr 2008 führte Cassini einen Vorbeiflug aus nächster Nähe durch und analysierte die Wolken mit seinem Cosmic Dust Analyzer (CDA). Die CDA zeigte, dass das Wasser in den Wolken eine überraschende Mischung flüchtiger Stoffe enthielt, darunter Kohlendioxid, Wasserdampf und Kohlenmonoxid. Es wurden auch Spuren von molekularem Stickstoff, einfachen Kohlenwasserstoffen und komplexen organischen Chemikalien gefunden.

Aber die Daten von Cassini werden immer noch analysiert, selbst sechs Jahre nachdem es seine Mission abgeschlossen und zu seiner Zerstörung in der Saturnatmosphäre geschickt wurde. A neues Papier gepostet bioRxiv mit dem Titel „Observations of Elemental Composition of Enceladus Consistent with Generalized Models of Theoretical Ecosystems“ stellt einige neue Erkenntnisse vor. Der Hauptautor ist Daniel Muratore, Postdoktorand am Santa Fe Institute.

Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Entdeckung von Ammoniak und anorganischem Phosphor im Ozean von Enceladus. Die Forscher verwendeten ökologische und metabolische Theorien und Modelle, um zu verstehen, wie diese Chemikalien Enceladus für das Leben zugänglich machen könnten. „Abgesehen von Spekulationen über Schwellenkonzentrationen bioaktiver Verbindungen zur Unterstützung von Ökosystemen können Stoffwechsel- und Umwelttheorien eine wirkungsvolle Interpretationshilfe bieten, um zu beurteilen, ob außerirdische Umgebungen mit lebenden Ökosystemen kompatibel sind“, erklären die Autoren.

Ein entscheidender Bestandteil der ökologischen Theorie ist das Redfield-Verhältnis. Es ist nach dem amerikanischen Ozeanographen Alfred Redfield benannt. Im Jahr 1934 veröffentlichte Redfield Ergebnisse, die zeigten, dass das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff zu Phosphor (C:N:P) in der gesamten Meeresbiomasse mit 106:16:1 bemerkenswert konsistent war. Andere Forscher fanden heraus, dass sich das Verhältnis je nach Gebiet und vorhandenen Phytoplanktonarten leicht verschob. Neuere Arbeiten verfeinerten das Verhältnis auf 166:22:1.

Die genauen Zahlen sind nicht unbedingt der entscheidende Punkt. Redfields Schlussfolgerung ist der entscheidende Teil. Das Redfield-Verhältnis zeigt eine bemerkenswerte Einheit zwischen der Chemie der Lebewesen in der Tiefsee und dem Ozean selbst. Er schlug vor, dass es ein Gleichgewicht zwischen Meerwasser und Planktonnährstoffen gibt, das auf biotischer Rückkopplung beruht. Er beschrieb ein chemisches Gerüst für Nährstoffe und einfaches Leben.

„Was auch immer die Erklärung sein mag, der Zusammenhang zwischen den Mengen an biologisch verfügbarem Stickstoff und Phosphor im Meer und den Anteilen, in denen sie vom Plankton genutzt werden, ist ein Phänomen von größtem Interesse“, sagte Redfield am Ende seiner Arbeit.

Wie hängt also die Entdeckung von Ammoniak und Phosphor im Ozean von Enceladus mit dem Redfield-Verhältnis und dem biologischen Potenzial von Enceladus zusammen?

Das Redfield-Verhältnis ist im gesamten Baum des Lebens auf der Erde weit verbreitet. „Aufgrund dieser scheinbaren Allgegenwärtigkeit wurde das Redfield-Verhältnis als Zielsignatur für die astrobiologische Lebenserkennung angesehen, insbesondere auf Meereswelten wie Europa und Enceladus“, schreiben die Autoren des neuen Artikels. Wenn es um das Leben geht, ist alles, was wir brauchen, die Erde. Daher ist es sinnvoll, grundlegende Aspekte der Lebenschemie hier auf der Erde als Linse zu nutzen, um andere potenziell lebenserhaltende Welten zu untersuchen.

Die Analyse von Cassinis Daten aus den Enceladus-Fahnen zeigt einen hohen Gehalt an anorganischem Phosphat im Ozean. Andere geochemische Simulationen, die auf Cassinis Erkenntnissen basieren, deuten auf dasselbe hin. „Diese Berichte über Phosphor knüpfen an frühere Arbeiten an, in denen zahlreiche elementare Bestandteile des terrestrischen Lebens (C, N, H, O) aus der Enceladus-Fahne identifiziert wurden“, erklären die Autoren. Noch mehr Analysen deuten darauf hin, dass der Ozean viele der in lebenden Organismen üblichen Chemikalien enthält, wie Aminosäurevorläufer, Ammonium und Kohlenwasserstoffe.

Der Ozean von Enceladus verfügt also über eine reichhaltige Chemie, und viele Chemikalien spiegeln die chemische Zusammensetzung des Lebens wider. Insbesondere gibt es eine Hypothese, dass Enceladus die Methanogenese unterstützen könnte. Die Archaeen der Erde betreiben Methanogenese unter den verschiedensten Umweltbedingungen auf der Erde und das schon seit über drei Milliarden Jahren, was ihre Überlebensfähigkeit unter Beweis stellt. Biochemische Modelle legen nahe, dass die Methanogene der Erde mit dem Ozean von Enceladus kompatibel sind.

Die Forscher entwickelten ein neues, detaillierteres Modell für Methanogene auf Enceladus, um zu sehen, ob sie dort überleben und gedeihen könnten. Ihr Modell stützte sich stark auf das Redfield-Verhältnis. Sie fanden heraus, dass Phosphor zwar in großen Mengen im Ozean des Mondes vorhanden ist, das Gesamtverhältnis jedoch „möglicherweise für erdähnliche Zellen einschränkend sein könnte“.

„Hohe Vorräte dieser Nährstoffe könnten mit einem unvollständigen Abbau aufgrund einer kleinen oder metabolisch langsamen Biosphäre, einer Biosphäre mit erst kürzlich entstandenem Leben oder anderen Gründen, die ein Ungleichgewicht verursachen könnten, einhergehen.“

Wie bleiben also die Aussichten auf ein Leben auf Enceladus?

Wir stehen erst am Anfang der Biosignaturwissenschaft. Wir können einzelne Chemikalien identifizieren, aber aus dieser großen Entfernung können wir die Gesamtchemie von Enceladus nicht genau messen. Neuere Biosignaturforschung, einschließlich dieser Arbeit, zielt darauf ab, herauszufinden, wie biologische Prozesse chemische Elemente auf verräterische Weise neu organisieren. Durch die Betrachtung ganzer Ökosysteme, wie es Redfield getan hat, könnten Wissenschaftler neue Biosignaturen entdecken, die weniger mehrdeutig sind.

Wenn uns das gelingt, könnten wir entdecken, dass nichtirdische Lebensformen Chemikalien auf völlig unterschiedliche Weise umorganisieren.

Diese Forschung ist Teil eines neuen Versuchs, mehr als nur einzelne chemische Biosignaturen zu erkennen, von denen einige falsch positiv sein können. Methan beispielsweise kann eine Biosignatur sein, kann aber auch abiotisch hergestellt werden. Es gibt noch andere, wie das kürzlich auf der Venus entdeckte Phosphin.

Der nächste Schritt besteht darin, Ökosysteme als Ganzes zu verstehen. Es gibt eine verwirrende Anzahl von Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Zellgröße, Nährstoffverfügbarkeit, Strahlung, Salzgehalt, Temperatur. Und weiter. Aber um die gesamte chemische Umgebung in Enceladus, Europa oder anderswo zu verstehen, benötigen wir detailliertere Daten.

Glücklicherweise verbessert sich die Instrumentenwissenschaft weiter und die kommenden Missionen nach Europa werden ein umfassenderes Bild zeichnen. Nach Ansicht der Autoren erfordert der nächste Schritt umfangreichere Daten und einen allgemeineren Ansatz.

„Wir schlagen zwei Prioritäten für die weitere astrobiologische Forschung vor, um die Auswirkungen dieser Schlussfolgerungen besser zu verstehen“, schreiben sie. „Erstens greifen wir frühere Forderungen in der astrobiologischen Literatur auf, allgemeinere Vorstellungen von Stoffwechsel und Physiologie zu erforschen.“ Sie weisen auch darauf hin, dass die Suche nach direkten Parallelen zum Leben auf der Erde in Form der Biochemie möglicherweise nicht die beste Strategie für die Suche nach Leben auf Enceladus ist.

„Zweitens empfehlen wir, den Umfang der analogen Umgebungen auf der Erde zu erweitern, um solche mit extremen Ressourcenversorgungsverhältnissen einzubeziehen, die denen für Enceladus entsprechen“, erklären sie.

Unser Verständnis von Bewohnbarkeit wächst schrittweise, wie diese Studie deutlich zeigt. Es wird wahrscheinlich keine aufschlussreichen Momente geben, in denen wir es plötzlich verstehen.

Die Natur hat eine große Vielfalt an Welten geschaffen, jede mit ihrer eigenen Chemie. Obwohl die Verwendung von Werkzeugen wie dem Redfield-Verhältnis als Linse eine Möglichkeit ist, diese Welten in all ihrer einzigartigen Pracht zu betrachten, können wir keinen Tunnelblick bekommen.

Während die meisten unserer Fantasien über das Leben auf anderen Welten fantasievoll und unwahrscheinlich sind, hätte das Leben auf Enceladus einen anderen Weg finden können. Es könnte verschiedene Arten geben, wie Leben in chemischen Umgebungen existiert und diese neu organisiert.