Die zentralen Fragen zur Entstehung von Leben auf der Erde beschäftigen Forschende weltweit schon seit langer Zeit: Wie konnten in einem einfachen Gasgemisch aus Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserstoff komplexe Moleküle entstehen, welche die Grundlage für Leben darstellen? Oder wurden diese Moleküle gar nicht auf der Erde produziert, sondern durch Meteoriten auf unseren Planeten gebracht? Und wie finden wir Leben auf anderen Planeten?

Aller Anfang ist schwer

Damit die wenig reaktionsfreudigen Moleküle in der frühen Erdatmosphäre vor mehr als vier Milliarden Jahren neue, komplexe Verbindungen bilden konnten, mussten sie erst einmal aus dem chemischen Gleichgewicht gebracht werden, einem Ruhezustand, auf den jede chemische Mischung zustrebt. Dazu wurde eine große Menge an Energie benötigt, wie sie zum Beispiel Blitze liefern können. Blitze sind energiereiche Phänomene, die entstehen, wenn in den Wolken Eispartikel miteinander kollidieren und Elektronen übertragen werden. Die schwereren, negativ geladenen Partikel sinken in die unteren Schichten der Wolke, die leichteren, positiv geladenen Teilchen steigen auf. Dadurch bildet sich ein elektrisches Feld in der Wolke. Sobald dieses Feld groß genug ist, kommt es zu einer Entladung – dem Blitz. Er gleicht dann schlagartig den großen Ladungsunterschied aus.

Die Luft im Blitzkanal erhitzt sich dabei auf mehr als 30 000 Kelvin, und alle Moleküle werden in ihre atomaren Bestandteile zerlegt: Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Wasserstoff (H). Wenn sich das Gas wieder abkühlt, setzen sich diese Atome zu neuen und anderen Molekülen zusammen, die vorher nicht da waren: Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO), Blausäure (HCN) und einige mehr.

Erste Blitze im Labor

Eines der ersten Experimente, das die Rolle von Blitzen in der Entstehung komplexer Moleküle auf der frühen Erde untersuchte, wurde von den beiden US-amerikanischen Chemikern Stanley Miller und Harald Urey im Jahr 1952 durchgeführt. Die beiden Forscher setzten ein molekulares Gasgemisch aus Wasserstoff (H₂), Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃) und Wasserdampf einer elektrischen Entladung aus, während es durch einen Kolben mit erhitztem Wasser zirkulierte. Nach einiger Zeit bildeten sich mehrere Aminosäuren und damit wichtige Bausteine für das Leben.

Heute wissen wir, dass die Atmosphäre vor mehr als vier Milliarden Jahren deutlich anders zusammengesetzt war als von Miller und Urey vermutet, denn sie bestand hauptsächlich aus Kohlendioxid (CO₂) und molekularem Stickstoff (N₂). Weitere Experimente haben gezeigt, dass es viel schwieriger ist, in Gasgemischen aus diesen beiden Stoffen Aminosäuren mit Blitzen zu erzeugen als in den Experimenten von Miller und Urey. Es gelang trotzdem, einfachere Bausteine wie Blausäure (HCN) oder Nährstoffe wie Nitrate zu erzeugen.

Neue Experimente

In einer Mitte 2024 in der Fachzeitschrift »Astronomy and Astrophysics« veröffentlichten Studie untersuchte ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Österreich, Großbritannien und den USA, welche Moleküle sich in Gasgemischen mit verschiedenen Anteilen an N₂, CO₂ und H₂ durch Blitze erzeugen lassen und welche Auswirkungen diese Moleküle auf die Spektren extrasolarer Planeten haben. Der Versuchsaufbau ähnelt dabei dem von Miller und Urey: In einem Glaskolben wird das Gasgemisch über einen Zeitraum von 2 bis 15 Stunden einer elektrischen Entladung von knapp 50 000 Volt ausgesetzt (siehe »Gewitter im Glaskolben«). Die dabei produzierten Gase lösen sich zunächst im Wasser, das sich am Boden des Kolbens befindet, bevor sie dann weiter mit dem Wasser reagieren. Im Anschluss werden die finale Zusammensetzung des Gasgemischs und die Konzentration der im Wasser gelösten Stoffe gemessen.

In einigen Experimenten wurde der CO₂-Gehalt im Gasgemisch verändert beziehungsweise das Wasser weggelassen. Dadurch lässt sich der Einfluss von CO₂ und Wasser auf die Ergebnisse der Experimente bestimmen. Dabei bestätigten sich frühere experimentelle Ergebnisse und Berechnungen: Die Zugabe von nur geringen Mengen an CO₂ (<1%) oder Wasserdampf – ein kleiner Teil des Wassers im Kolben verdunstet und sorgt so für eine Wasserdampfkonzentration von zirka einem Prozent im Gasgemisch – verhindert die Produktion so genannter reduzierter Moleküle. Das sind Verbindungen von Kohlenstoff oder Stickstoff mit Wasserstoff, wie zum Beispiel Methan oder Ammoniak. Diese Stoffe sind besonders wichtig für das Entstehen und die Entwicklung von Leben, weil sie sehr reaktionsfreudig sind und damit das Bilden komplexerer Verbindungen begünstigen.

Lebenszeichen auf Exoplaneten

Methan, Ammoniak und Lachgas (N₂O), das ebenfalls in den Blitzexperimenten erzeugt wird, sind zudem gute Kandidaten für Biosignaturen. So bezeichnet man in der Astronomie Gase – einzelne oder mehrere in Kombination –, deren Präsenz in der Atmosphäre eines Exoplaneten auf die Anwesenheit von Lebewesen hinweist. Das schließt alle Formen ein, von Einzellern bis hin zu intelligentem Leben. Die Interpretation von Biosignaturen ist allerdings schwierig, weil sie oft sowohl biologischen als auch nichtbiologischen Ursprungs sein können. Beispielsweise stammt das meiste Methan in der Erdatmosphäre von menschlichen Aktivitäten und anderen Lebewesen; Vulkane sind jedoch ebenso bedeutsame Produzenten. Daher ist es wichtig, die Kombination mehrerer Gase zu betrachten, zum Beispiel die gleichzeitige Anwesenheit von Methan und Kohlendioxid oder Methan und Sauerstoff. Molekularer Sauerstoff (O₂) beziehungsweise das leichter nachzuweisende Ozon (O₃) allein werden ebenfalls oft als Biosignatur vorgeschlagen, weil Sauerstoff auf der Erde das am meisten biogen produzierte Gas ist. Allerdings gibt es auch viele Möglichkeiten, Sauerstoff ohne Leben zu erzeugen.

Eine Sonderrolle nimmt Kohlenmonoxid (CO) ein, das als so genannte Anti-Biosignatur gilt: Da CO eine leicht zugängliche Energie- und Kohlenstoffquelle ist, wird es von vorhandenem Leben schnell konsumiert. Findet man also CO in der Atmosphäre eines Exoplaneten, lässt sich darauf schließen, dass dort kein Leben vorhanden ist. Selbst wenn beim Modellieren der Atmosphären von erdähnlichen Exoplaneten in den letzten Jahren viele Fortschritte erzielt wurden, so ist es mit den Teleskopen, die zurzeit auf der Erde oder im Weltall in Betrieb sind, noch nicht möglich, die Atmosphären dieser Planeten genau genug zu untersuchen. So wurde bisher noch kein eindeutiger Beweis für Leben auf einem Exoplaneten beobachtet.

Signaturen richtig deuten

Ein Ziel der veröffentlichten Studie war es zu untersuchen, ob Blitze für die Produktion von beobachtbaren Mengen dieser potenziellen Biosignaturen beziehungsweise der Anti-Biosignatur CO verantwortlich sein können. Untersuchungen wie diese verringern das Potenzial für falsch-positive oder falsch-negative Beobachtungen von Leben. Allein die Laborexperimente lassen schon darauf schließen, dass Blitze in den betrachteten Gasgemischen aus N₂, CO₂ und H₂ nicht in der Lage sind, Biosignaturen aus CH₄, NH₃ oder N₂O zu erzeugen.

Doch lassen sich die experimentellen Ergebnisse aus dem Glaskolben direkt auf die ganze Atmosphäre übertragen? Ja und nein. Die Entladung im Labor überträgt eine definierte Menge an Energie auf das Gasgemisch. Mit der globalen Blitzrate und der durchschnittlichen Energie eines Blitzes lässt sich damit hochrechnen, wie viel NO, CO und andere Stoffe pro Jahr in der Atmosphäre eines Planeten wie der Erde erzeugt werden. Doch die erzeugten Moleküle bleiben nicht auf immer in der Atmosphäre: Sie lösen sich in den Regentropfen der Gewitterwolken oder den Ozeanen auf der Planetenoberfläche, reagieren mit anderen Molekülen in der Atmosphäre oder werden von kosmischen Teilchen oder hochenergetischen Photonen getroffen.

Modellierte Atmosphären

Um den langfristigen Einfluss von Blitzen auf die Zusammensetzung der Atmosphäre zu untersuchen, haben die Autorinnen und Autoren der Studie die im Labor ermittelten Produktionsraten von CO und NO – den mit Abstand häufigsten Produkten der Blitze – als Input für ein fotochemisches Modell verwendet. Mit solch einem Modell, das dutzende Moleküle und hunderte chemische Reaktionen berücksichtigt, lässt sich die Häufigkeit der unterschiedlichen Gase in der Atmosphäre bestimmen. Es berücksichtigt zudem die Zufuhr vulkanischer Gase wie CH₄ oder H₂ sowie die ionisierende ultraviolette (UV) Strahlung, die vom Stern auf den Planeten einstrahlt.

Die Forschenden haben dabei verschiedene Planeten und Szenarien untersucht: die Erde und TRAPPIST-1 e, einen Planeten um den ungefähr 40 Lichtjahre entfernten Stern TRAPPIST-1. Um diesen Stern kreisen sieben etwa erdgroße Planeten, was ihn sehr interessant für aktuelle und zukünftige Beobachtungskampagnen macht (siehe SuW 6/2021, S. 28). Die simulierte Zusammensetzung der Atmosphäre beider Planeten ähnelt mit einem Volumenanteil von knapp fünf Prozent CO₂ in einem Bar N₂ den oben beschriebenen Laborexperimenten. In einigen Simulationen ersetzten die Forschenden 20 Prozent des Stickstoffs durch Sauerstoff, um den Einfluss von Blitzen auf eine sauerstoffreiche Atmosphäre wie die unserer Erde zu untersuchen. Zudem unterschieden die Autorinnen und Autoren zwischen Szenarien mit und ohne Lebewesen auf den Planeten, wobei Lebewesen durch eine erhöhte Methanproduktion und einen stärkeren Konsum von CO repräsentiert sind.

Im Anschluss an die Simulationen lassen sich Spektren dieser Atmosphären berechnen, um sie später mit Beobachtungen von der Erde aus vergleichen zu können (siehe »Modelle von TRAPPIST-1 e«). In diesen Spektren hielt das Team gezielt nach bestimmten Signaturen Ausschau, wie zum Beispiel nach den Biosignaturen CH₄ oder O₃, nach der Anti-Biosignatur CO oder nach direkten Hinweisen auf Blitzaktivitäten wie Stickstoffdioxid (NO₂).

Blitze und Ozon – eine schwierige Beziehung

Die Ergebnisse der fotochemischen Simulationen zeigen, dass Blitze keine falsch-positive CO-Anti-Biosignatur auf bewohnten Planeten erzeugen können. Das heißt, die bei Blitzen entstehende Menge an CO wird in dem Fall nicht messbar in der Atmosphäre angereichert. Doch die Simulationen für die sauerstoffreichen Atmosphären zeigen, dass eine leicht erhöhte Blitzrate – verglichen mit der heutigen Erde – zu einem Verschwinden der O₃-Signatur im Spektrum führt und damit die Identifikation von Leben erschweren kann.

Etwas Ähnliches passiert bei TRAPPIST-1 e und seiner mutmaßlichen N₂-CO₂-Atmosphäre. Sein Zentralstern ist ein Roter Zwerg und damit deutlich kleiner und kühler als unsere Sonne. TRAPPIST-1 erzeugt allerdings einen, relativ zum Rest des stellaren Spektrums, deutlich erhöhten Anteil an UV-Strahlung. Auf Grund der geringeren Leuchtkraft des Sterns muss ein Planet, auf dem Leben möglich sein kann, deutlich näher um ihn kreisen als die Erde um die Sonne, weshalb die höhere UV-Strahlung umso mehr ins Gewicht fällt.

Die UV-Strahlung bricht CO₂-Moleküle in der Atmosphäre des Planeten auf, wobei viel Kohlenmonoxid, molekularer Sauerstoff und Ozon entstehen. Dieses Ozon kann versehentlich als Biosignatur interpretiert werden. Eine gegenüber der Erde um den Faktor 10 erhöhte Blitzrate führt dazu, dass sowohl die CO-Signatur als auch die O₃-Signatur im Spektrum nicht mehr erkennbar sind. Damit kann eine Fehlinterpretation von O₃ als Biosignatur vermieden werden.

Wie oft blitzt es auf Exoplaneten?

Dass es auf erdähnlichen Exoplaneten blitzt, ist sehr wahrscheinlich, schließlich können wir in den Atmosphären der meisten Planeten des Sonnensystems Blitze beobachten. Sogar auf dem Mars mit seiner dünnen Atmosphäre kommt es in Sandstürmen zu elektrischen Entladungen. Doch um Effekte auf die Chemie zu beobachten, müssen Blitze auch häufig genug vorkommen, und das zu bestimmen, ist deutlich schwieriger.

Die genaue Blitzrate hängt von vielen Faktoren ab, das lässt sich sehr gut auf der Erde feststellen: Besonders häufig blitzt es in den Tropen, denn dort wird die meiste Energie der Sonne deponiert. Die Erdoberfläche heizt sich dadurch besonders stark auf, und die warme, feuchte Luft steigt nach oben und kühlt sich ab. Infolgedessen kondensiert die Feuchtigkeit aus, und es bilden sich Wolken. In ihnen stoßen Eispartikel häufig und schnell aufeinander, was das Entstehen und Trennen von Ladungen befeuert und letztlich die Entladung durch Blitze bedingt.

Dieser Prozess ist über den Kontinenten deutlich effizienter als über den Ozeanen, in denen der Temperaturunterschied zwischen der Wasseroberfläche und den höheren Luftschichten geringer ist als über den Kontinenten. Der geringere Temperaturunterschied verlangsamt das Tempo der Luftzirkulation. Ein stetiges Erhöhen der Lufttemperatur durch den Klimawandel führt zu einer höheren Luftfeuchtigkeit und folglich zu höheren Blitzraten.

Auf Exoplaneten übertragen bedeutet das: Die genaue Blitzrate hängt davon ab, wie genau die Atmosphäre zusammengesetzt ist, welche Temperatur vorherrscht, wie viel Oberfläche des Planeten durch Land bedeckt ist und wie schnell sich der Planet um seine eigene Achse dreht. Planeten um Rote Zwerge weisen häufig als Folge der Gezeitenreibung mit derselben Seite zu ihrem Stern, so wie der Mond zur Erde. Dadurch konzentriert sich die Einstrahlung des Sterns und damit das Potenzial für Blitze auf eine relativ kleine Fläche auf der ewigen Tagseite des Planeten.

Zwei Seiten der Medaille

Letztlich ist es schwer vorherzusagen, wie hoch die Blitzrate auf einem weit entfernten Exoplaneten ist. Die Ergebnisse der Studie zeigen jedoch, dass es wichtig ist, den Effekt von Blitzen auf die Atmosphäre der beobachteten Planeten mit einzubeziehen, um zum Beispiel die Abwesenheit von Ozon im Spektrum nicht falsch zu interpretieren. Am Ende ist es ein bisschen ironisch, dass Blitze, die möglicherweise wichtig für das Entstehen von Leben sind, es gleichzeitig schwieriger machen können, eben jenes Leben zu entdecken.