Pflanzen könnten unter fremdem Himmel immer noch gut wachsen

Die Photosynthese veränderte die Erde auf gewaltige Weise. Als photosynthetische Organismen auftauchten, führte dies zum Großen Sauerstoffereignis. Dadurch konnte sich mehrzelliges Leben entwickeln und die Ozonschicht entstand. Leben konnte sich auf Land wagen, geschützt vor der intensiven ultravioletten Strahlung der Sonne.

Aber die photosynthetischen Organismen der Erde entwickelten sich unter der spezifischen Beleuchtung der Sonne. Wie würde es Pflanzen unter anderen Sternen ergehen?

Unsere Sonne ist ein Stern vom Typ G, der manchmal auch Gelber Zwerg genannt wird. Für uns sieht sie wie ein normaler Stern aus, aber Gelbe Zwerge sind nicht so häufig. Nur etwa 7 bis 8 % der Sterne in der Milchstraße sind Sterne vom Typ G. Um die Bewohnbarkeit von Exoplaneten zu verstehen, müssen wir die häufiger vorkommenden Sterntypen verstehen.

Einige Wissenschaftler meinen, K-Zwergsterne seien die optimalen Wirtssterne für bewohnbare Exoplaneten. Sie haben etwa 50 bis 80 Prozent der Masse von G-Sternen, sind häufiger und haben eine stabile Leuchtkraft, die Milliarden von Jahren länger anhält als bei sonnenähnlichen Sternen.

Die Sonne wird etwa 10 Milliarden Jahre lang stabil auf der Hauptreihe verbleiben, während K-Sterne bis zu 70 Milliarden Jahre stabil sein können. Trotzdem konzentriert sich ein Großteil der Forschung zur Bewohnbarkeit von Exoplaneten auf M-Zwerge oder Rote Zwerge, die aufgrund von Flare und Gezeitenblockierung tatsächlich weitaus lebensunfreundlicher sein könnten.

In einer neuen Studie simulierte ein Forschertrio die Lichtleistung eines K-Zwergsterns und züchtete unter diesen Bedingungen zwei photosynthetische Organismen, um zu sehen, wie sie reagierten. Der Forschungsartikel lautet:Beobachtung signifikanter Photosynthese in Gartenkresse und Cyanobakterien unter simulierter Beleuchtung durch einen K-Zwergstern.“ Erschienen ist im Internationale Zeitschrift für Astrobiologieund die Hauptautorin ist Iva Vilović, eine Doktorandin der Forschungsgruppe Astrobiologie an der Technischen Universität Berlin.

Gartenkresse, deren lateinischer Name Lepidium sativum lautet, ist ein weit verbreitetes Gartengrün, das in Salaten, Suppen und Sandwiches verwendet wird. Es ist eine anpassungsfähige Pflanze, die schnell wächst. Das Cyanobakterium Chroococcidiopsis ist ein Extremophiler, der dafür bekannt ist, 13 Millionen Jahre lang inaktiv zu bleiben und dennoch lebensfähig zu bleiben. Es kann Strahlung, Austrocknung und extremen Temperaturen widerstehen und ist in der Astrobiologie von Interesse.

Wir gehen davon aus, dass die Photosynthese in der Astrobiologie eine Rolle spielt. Sternenlicht liefert Organismen die Energie, um organische Verbindungen zu synthetisieren. Um die Photosynthese in der Astrobiologie zu verstehen, müssen wir verstehen, wie andere Sterne die Photosynthese antreiben könnten.

„Daher ist das Verständnis eines jeden Planeten im Kontext seiner Sternumgebung ein wesentlicher Schritt bei der Beurteilung seiner Bewohnbarkeit“, schreiben die Autoren.

Astronomen suchen nach erdähnlichen Planeten um sonnenähnliche Sterne, weil uns nur solches Leben bekannt ist. Besonderes Augenmerk legen sie auch auf M-Zwerge, weil sie so zahlreich sind und in ihren bewohnbaren Zonen viele felsige Exoplaneten beheimaten. Wissenschaftler haben nachgewiesen, dass photosynthetische Organismen von der Erde unter simuliertem M-Zwerglicht wachsen können. Doch der Bewohnbarkeit von M-Zwergen stehen eine ganze Reihe potenzieller Hindernisse gegenüber.

In dieser Arbeit konzentrierten sich die Forscher auf K-Zwerge. Diesen fehlt die magnetische Aktivität, die bei M-Zwergen offenbar extrem starkes Aufflackern erzeugt. Dieses Aufflackern ist so stark, dass es Planeten in ihrer habitablen Zone aus flüssigem Wasser sterilisieren könnte.

Die bewohnbaren Zonen um K-Zwerge sind außerdem weit genug entfernt, sodass die Planeten nicht durch Gezeitenkräfte blockiert wären, was ein weiteres potenzielles Hindernis für die Bewohnbarkeit darstellt, das M-Zwerge betrifft. Aufgrund ihrer rasch schwächer werdenden FUV- und Röntgenstrahlenflüsse werden K-Zwerge außerdem früher in ihrem Leben bewohnbar als M-Zwerge.

„Alles in allem können K-Zwerge als die ‚Goldlöckchen-Sterne‘ bei der Suche nach Planeten mit potenzieller Lebensgrundlage betrachtet werden“, schreiben die Autoren.

Das Forschertrio setzte Brunnenkresse-Setzlinge drei verschiedenen Lichtverhältnissen aus: Sonnenlicht, K-Zwerglicht und kein Licht. Optisch ähnelten sich die Solar- und K-Zwerg-Proben, obwohl die Samen meist ein oder zwei Tage früher keimten als unter Sonnenlicht. Die K-Zwerg-Probe hatte auch eine geringfügig größere Blattoberfläche.

Nach sieben Tagen zeigte eine Seitenansicht der Proben, dass Höhe und Stängelverlängerung unterschiedlich waren. Unter der K-Zwerg-Beleuchtung wuchs die Brunnenkresse höher.

Die Forscher maßen auch den Wassergehalt und die Trockenmasse. Unter K-Zwerg-Bedingungen hatte die Brunnenkresse einen etwas höheren Wassergehalt, während der Trockengehalt im Vergleich zu Sonnenbedingungen niedriger war.

Die Forscher prüften außerdem die photosynthetische Effizienz und stellten keinen signifikanten Unterschied zwischen den Sonnen- und den K-Zwergproben fest.

Das robuste, extremophile Cyanobacterium chroococcidiopsis sp. CCMEE 029 ist das andere Ende des Spektrums der schnell wachsenden Gartenkresse. Es ist ein Überlebenskünstler, der lange Ruheperioden und extreme Wachstumsbedingungen übersteht. Die Forscher kultivierten es auch unter Sonnen-, K-Zwerg- und Dunkelbedingungen.

Sie maßen die durchschnittliche integrierte Dichte (IntD) des Cyanobakteriums, die ein Indikator für das Wachstum der Kultur ist. Sie stellten fest, dass die K-Zwerg-Probe höhere Werte aufwies als die Sonnenprobe, die Unterschiede wurden jedoch nicht als signifikant angesehen.

Wie vorherzusehen war, „konnten Cyanobakterien unter ständiger Dunkelheit keine signifikant messbare IntD aufweisen“, schreiben die Autoren in ihrem Artikel.

Sie weisen darauf hin, dass ihre Studie die natürlichen Bedingungen nicht vollständig nachgebildet hat. Die Intensität des Sonnenlichts ändert sich im Tagesverlauf, was sie jedoch nicht in ihre Studie einbezogen haben.

„Die Intensität des Sonnenlichts auf der Erde schwankt im Tagesverlauf, wobei die höchsten Intensitäten während der zentralen Stunden auftreten. Diese Schwankung ist für Pflanzen entscheidend, um sich an veränderte Lichtverhältnisse anzupassen und darauf zu reagieren, einschließlich der Aktivierung der nicht-photochemischen Löschung (NPQ), um die Auswirkungen von übermäßigem Licht abzumildern“, schreiben sie. NPQ hilft Pflanzen, mit Perioden übermäßigen Lichts, also Licht über der Menge, die sie photosynthetisieren können, umzugehen, indem es es in Wärme umwandelt.

„Das Verständnis der Auswirkungen der Strahlung von K-Zwergen auf Photosynthese und Wachstum ist von größter Bedeutung, nicht nur um ihre Lebensfähigkeit für phototrophe Organismen zu beurteilen, sondern auch um atmosphärische Biosignaturen außerhalb des Sonnensystems zu interpretieren“, erklären die Autoren. Andere Forschungen auf diesem Gebiet haben sich auf M-Zwerge konzentriert, und dieses Forschertrio sagt, dass ihre Arbeit nach bestem Wissen die erste ist, die sich mit Photosynthese und K-Zwergen befasst.

„Diese Ergebnisse können uns der Frage näher bringen, welche Sternumgebungen die optimalen Kandidaten für die Suche nach bewohnbaren Welten sein könnten“, schreiben die Autoren. „Diese Erkenntnisse beleuchten nicht nur die Bewältigungsmechanismen photosynthetischer Organismen gegenüber veränderten Strahlungsumgebungen, sondern weisen auch auf die grundsätzliche Bewohnbarkeit von Exoplaneten hin, die K-Zwergsterne umkreisen.“