Was braucht es, damit Leben auf einem Planeten entsteht? Und warum ist die Erde ein kosmischer Glücksfall? Züricher Forscher haben das Rätsel einer längst vergangenen Zeit entschlüsselt.
Der richtige Sauerstoffgehalt während der Kernbildung führte dazu, dass im Mantel und in der Kruste der Erde genügend Phosphor und Stickstoff vorhanden waren. Damit ist die Erde ein chemischer Glücksfall im Universum. Sie befindet sich in einer Zone mit idealen chemischen Bedingungen für die Entstehung des Lebens.
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Bei der Suche nach Leben im Universum sollten Forscher deshalb nach Sonnensystemen Ausschau halten, die jenem der Erde gleichen. Der Fokus auf Wasser greift zu kurz.
Damit auf einem Planeten Leben entstehen kann, braucht es gewisse chemische Elemente in ausreichenden Mengen. Auf keinen Fall fehlen dürfen Phosphor und Stickstoff. Ohne diese beiden Elemente kann sich aus lebloser Materie kein Leben entwickeln.
So ist Phosphor unentbehrlich für den Aufbau der DNA und RNA, die genetische Informationen speichern und übertragen, und für den Energiehaushalt der Zellen.
Stickstoff ist unter anderem ein unverzichtbarer Bestandteil von Proteinen, die für den Aufbau, die Struktur und die Funktion von Zellen essenziell sind.
Eine Studie im Fachjournal „Nature“ unter der Leitung von Craig Walton vom Centre for Origin and Prevalence of Life der ETH Zürich und ETH-Professorin Maria Schönbächler zeigt nun, dass sich bereits während der Bildung des Planetenkerns entscheidet, ob genügend Phosphor und Stickstoff vorhanden sind.
„Entscheidend während der Kernbildung ist, dass es genau die richtige Menge an Sauerstoff gibt, damit Phosphor und Stickstoff auf der Planetenoberfläche bleiben“, erklärt Walton. Auf der Erde war genau dies vor etwa 4,6 Milliarden Jahren der Fall, was sie zu einem chemischen Glücksfall im Universum macht. Diese Erkenntnis könnte die Suche nach Leben im Universum verändern.
Wenn sich Planeten formen, bestehen sie zunächst aus geschmolzenem Gestein. In dieser Phase findet ein Sortierprozess statt: Schwere Metalle wie Eisen sinken in die Tiefe und bilden den Kern, während aus den leichteren Gesteinen der Mantel und später die Kruste wird.
Ist während der Kernbildung zu wenig Sauerstoff vorhanden, verbindet sich Phosphor mit schweren Metallen wie Eisen und wandert in den Kern. Damit geht das Element für die Entstehung von Leben verloren.
Gibt es während der Kernbildung hingegen zu viel Sauerstoff, bleibt der Phosphor zwar im Mantel, doch Stickstoff entweicht leichter in die Atmosphäre und kann so ganz verloren gehen.
Die Forscher konnten in zahlreichen Modellierungen zeigen, dass nur in einem erstaunlich schmalen Bereich mittlerer Sauerstoffverhältnisse – einer sogenannten chemischen Goldlöckchenzone – sowohl Phosphor als auch Stickstoff in ausreichender Menge im Mantel verbleiben.
„Unsere Modelle machen deutlich, dass die Erde genau in diesem Bereich liegt. Hätten wir während der Kernbildung der Erde nur ein klein wenig mehr oder weniger Sauerstoff gehabt, wäre nicht genug Phosphor und Stickstoff für die Entstehung des Lebens vorhanden gewesen“, erläutert Walton.
Die Wissenschaftler weisen zudem nach, dass bei der Bildung anderer Planeten wie dem Mars der Sauerstoffgehalt ausserhalb dieser Goldlöckchenzone lag und daher in ihrem Mantel nicht genügend Phosphor und Stickstoff verfügbar sind.
Die neuen Erkenntnisse könnten verändern, wonach Forscher Ausschau halten, wenn sie nach Leben im Universum suchen. Bislang lag der Fokus vor allem auf der Frage, ob ein Planet über Wasser verfügt. Walton und Schönbächler zufolge greift diese Theorie jedoch zu kurz.
Denn die verfügbare Menge an Sauerstoff während der Entstehung eines Planeten kann dazu führen, dass viele Planeten von Anfang an chemisch ungeeignet sind, um Leben hervorzubringen, selbst wenn sie Wasser haben und von aussen betrachtet lebensfreundlich wirken.
Diese chemischen Grundvoraussetzungen für Leben können Astronomen indirekt messen, wenn sie mit großen Teleskopen fremde Sonnensysteme beobachten. Denn wie viel Sauerstoff in einem Sonnensystem für die Entstehung von Planeten vorhanden ist, hängt von der chemischen Zusammensetzung ihres Zentralsterns ab.
Dieser prägt mit seinem chemischen Fingerabdruck das gesamte ihn umgebende Planetensystem, da Planeten sich vor allem aus dem Material zusammensetzen, aus dem auch der zentrale Stern besteht.
Sonnensysteme, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung stark von unserem unterscheiden, sind daher keine guten Orte, um nach Leben im Universum zu suchen. „Damit wird die Suche nach Leben auf anderen Planeten viel spezifischer. Wir sollten daher nach Sonnensystemen suchen, die unserer Sonne ähnlich sind“, resümiert Walton.
