Astrobiologie (eBook)

Mathias Scholz ist Amateurastronom. Er hat von 1981-1986 Physik an der Universität Rostock studiert und war danach als Berechnungsingenieur und ab 1990 freiberuflich auf dem Gebiet der Umweltsimulation sowie im IT-Bereich tätig.

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
Abbildungsverzeichnis 9
Tabellenverzeichnis 17
Kapitel-1 20
Was ist „Astrobiologie“? 20
Kapitel-2 23
Was ist und wie funktioniert „Leben“? 23
2.1 Grundlegende Eigenschaften lebender molekularer Systeme 24
2.1.1 Die acht Säulen des Lebens 27
2.1.1.1 Kompartimentierung 28
2.1.1.2 Metabolismus 29
2.1.1.3 Katalyse 31
2.1.1.4 Regulation 32
2.1.1.5 Wachstum 32
2.1.1.6 Programm 32
2.1.1.7 Reproduktion 33
2.1.1.8 Anpassung 34
2.1.2 Definitionen des Begriffs „Leben“ 34
2.2 Basiselemente des Lebens 40
2.2.1 Kohlenstoff 41
2.2.2 Silizium 46
2.2.3 Bor, Stickstoff, Phosphor, Schwefel und Germanium 50
2.3 Wasser als universelles Lösungsmittel 51
2.3.1 Das Wassermolekül 53
2.3.2 Wasserstoffbrückenbindungen und Wassercluster 54
2.3.3 Eigenschaften von Wasser 56
2.3.3.1 Dichteanomalie 56
2.3.3.2 Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck 57
2.3.3.3 Viskosität und Oberflächenspannung 58
2.3.3.4 Eignung als Lösungsmittel 59
2.3.3.5 Chemische Reaktionen in wässrigem Milieu 62
2.3.3.6 Phasendiagramm 63
2.3.4 Alternativen zu Wasser als biologisches Lösungsmittel 65
2.4 Energiequellen des Lebens 69
2.4.1 Energie und Entropie 70
2.4.1.1 Leben und Entropie 70
2.4.1.2 Gibbs-Helmholtz-Gleichung 72
2.4.1.3 Chemisches Gleichgewicht 74
2.4.1.4 Chemisches Potenzial 76
2.4.2 Anabolismus und Katabolismus 77
2.4.2.1 Energiespeicherung und Energienutzung – Adenosintriphosphat 80
2.4.2.2 Wichtige Stoffwechselwege 83
2.4.3 Astrobiologische Implikationen 91
2.5 Moleküle des Lebens 98
2.5.1 Polysaccharide 99
2.5.2 Lipide 100
2.5.3 Peptide und Proteine 101
2.5.4 DNA und RNA 105
2.6 Information und Leben 111
2.7 Die minimalistische Zelle 112
2.7.1 Grundlegender Aufbau einer primitiven lebenden Zelle 113
2.7.2 Rezente minimalistische Lebensformen auf der Erde 118
2.7.3 Last Universal Common Ancestor 120
2.8 Selbstorganisation und Evolution 128
2.8.1 Selbstorganisation 129
2.8.2 Evolution 133
2.9 Grenzen des Lebens 138
2.9.1 Extremophile 139
2.9.2 Astrobiologische Implikationen der Extremophile 150
Kapitel-3 153
Wie entsteht Leben? – das Rätsel der Abiogenese 153
3.1?????Das Paradigma der „Ursuppe“ und ihre Zutaten 156
3.2?????Astrochemie – Moleküle im All 157
3.2.1?????Interstellares Medium 159
3.2.2?????Molekülwolken in der Milchstraße 168
3.2.3?????Physikalische Bedingungen und chemische Reaktionen im ISM 171
3.2.3.1?????Interstellares Strahlungsfeld 173
3.2.3.2?????Zusammensetzung und Komponenten der interstellaren Materie 179
3.2.3.3?????Molekülbildung im interstellaren Gas 184
3.2.4?????Spektroskopischer Nachweis von interstellaren Molekülen 215
3.2.5?????Moleküle in Kometenkernen und primitiven Meteoriten 217
3.2.5.1?????Kometenkerne 223
3.2.5.2?????Primitive Meteorite 243
3.2.5.2.1?????Systematik der kohligen Chondrite 244
3.3?????Das Miller-Urey-Experiment 254
3.3.1?????Versuchsaufbau 255
3.3.2?????Die „Miller-Urey-Ursuppe“ 257
3.3.3?????Gehalt an organischen Stoffen 258
3.4?????Hydrothermale Quellen und organische Moleküle 261
3.5?????Der Planet Erde im Hadaikum und frühen Archaikum 264
3.5.1?????Die Entstehung der Erde 266
3.5.2?????Akkretions- und erste Aufschmelzphase 269
3.5.3?????Mondimpakt 269
3.5.3.1?????Ausbildung des metallischen Erdkerns 272
3.5.3.2?????Ablauf des Mondimpakts 273
3.5.3.3?????Astrobiologische Bedeutung des Mondes 277
3.5.4?????Entstehung der ersten Erdkruste 278
3.5.5?????Entstehung der Ozeane 280
3.5.6?????Die erste sekundäre Erdatmosphäre 284
3.5.7?????Das Zeitalter des „Letzten Großen Bombardements“ 286
3.5.8?????Einsetzen der Plattentektonik 288
3.5.9?????Anlaufen des „Geodynamos“ 290
3.5.10?????Das Paradoxon der schwachen jungen Sonne 293
3.5.10.1?????Hypothesen zur Erklärung des „Paradoxons der schwachen jungen Sonne“ 297
3.5.10.1.1?????Treibhauseffekt 298
3.5.10.1.2?????Geringe Albedo 305
3.5.10.1.3?????Geringfügig höhere Masse der Ursonne 306
3.6?????Abiogenese 308
3.6.1?????Wo und wann entstand das Leben auf der Erde? 309
3.6.2?????Die chemische Evolution als schrittweiser Prozess 314
3.6.3?????Grundlegende Voraussetzungen und Schrittfolgen für die Abiogenese 315
3.6.4?????Denkbare Szenarien der Abiogenese 319
3.6.4.1?????Oberflächenmetabolismus – der chemoautotrophe Ursprung des Lebens 320
3.6.4.2?????Die Hypothese der RNA-Welt 324
3.6.5?????Von der RNA-Welt zur Welt der Proteine 334
3.6.5.1?????Die Entstehung des genetischen Codes 334
3.6.5.2?????Etablierung der DNA als universeller molekularer Speicher genetischer Informationen 341
3.6.6?????Astrobiologische ?????Implikationen 342
Kapitel-4 347
Kosmische Voraussetzungen für Leben – die Habitabilität ferner Welten 347
4.1 Der Begriff der Habitabilität 351
4.1.1 Muttersterne 352
4.1.2 Die Leuchtkraft eines Sterns bestimmt die Gleichgewichtstemperatur eines Planeten 355
4.1.3 Die Masse eines Planeten legt die mögliche Mächtigkeit einer Gashülle fest 356
4.1.4 Bahnstabilität 357
4.1.5 Meteoritenflussrate 358
4.1.6 Thermische Entwicklung eines Planeten 359
4.1.7 Achsenstabilität und Klima 363
4.1.8 Tidal locking 364
4.1.9 Habitabilität und Verfügbarkeit von Energiequellen 364
4.2 Habitable Zonen 365
4.2.1 Die galaktische habitable Zone 367
4.2.2 Zirkumplanetare habitable Zonen – Habitabilität von Exomonden 372
4.2.3 Zirkumstellare habitable Zonen 379
4.3 Habitabilität und kosmische Katastrophen 389
4.3.1 Hausgemachte Katastrophen 390
4.3.2 Katastrophen mit Ursachen im Planetensystem 399
4.3.3 Von Objekten außerhalb des Planetensystems verursachte Katastrophen 418
4.3.4 Astrobiologische Implikationen kosmischer Katastrophen 434
Kapitel-5 437
Leben im Sonnensystem und darüber hinaus 437
5.1 Mögliche Nischen des Lebens im Sonnensystem 439
5.1.1 NASA und Mars – Follow the water… 440
5.1.2 Eismonde im äußeren Sonnensystem 471
5.1.3 Astrobiologische Implikationen für extraterrestrisches Leben im Sonnensystem 509
5.2 Habitable extrasolare Planeten 512
5.2.1 Beispiele für Exoplaneten in habitablen Zonen 513
5.2.2 Abschätzung der Zahl potenziell habitabler Planeten im Milchstraßensystem 518
5.2.3 Biomarker in den Atmosphären von Exoplaneten 520
Kapitel-6 523
SETI – die Suche nach außerirdischen Zivilisationen 523
Literatur 534
Sachverzeichnis 552