Die Farben fremder Welten

Laubblatt im Gegenlicht: Seine grüne Farbe ist kein Zufall, sondern eine Anpassung an die spektrale Energieverteilung des Sonnenlichts. · Foto: © Antje Kraemer Photography

Grün ist also kein Zweck der Photosynthese – keine Pflanze „will“ grün sein. Wenn diese Farbe ein Nebeneffekt der Lichtverarbeitung ist, dann könnte anderes Licht auch andere Farben hervorbringen. Hier wird es für die Astrobiologie interessant.

„Die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie folgt universellen Prinzipien der Physik“, sagt Nancy Kiang. Wo Leben Licht als Energiequelle nutzt, muss ein Photon zunächst ein Molekül anregen. Ein Photon bringt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau, die Energie wird weitergereicht, am Ende entsteht nutzbare chemische Energie. Welche Moleküle übernehmen diese Aufgabe? Chlorophyll sei dafür auf der Erde sehr gut geeignet, sagt die Forscherin. Aber es ist zugleich „auch das Ergebnis unserer besonderen Evolutionsgeschichte“.

Andere Sonnen strahlen anders

Chlorophyll ist an das Licht angepasst, das auf der Erde zur Verfügung steht. Doch auf anderen Planeten würde Licht anders aussehen. Nicht jeder Stern strahlt wie die Sonne. Manche Sterne sind heißer und bläulicher, andere kühler und rötlicher. Ihre Farbe ist ein Hinweis auf die Temperatur und darauf, wie sich ihre Strahlung über das Spektrum verteilt.

Am heißen Ende stehen die weiß bis bläulich leuchtenden O- und B-Typen. Sie liefern zwar gewaltige Energiemengen, sind aber kurzlebig und für eine lange, stabile biologische Evolution deshalb keine guten Kandidaten. Für die Frage nach fremder Photosynthese sind vor allem langlebige Sterne interessant, deren Licht über Milliarden Jahre verlässlich auf einen Planeten fällt. Sterne vom F-Typ zum Beispiel strahlen stärker im kurzwelligen blauen und ultravioletten Bereich. Noch langlebiger sind G-Typen wie unsere Sonne. Ihr Licht enthält viel sichtbare Strahlung, vom Violett über Blau und Grün bis ins Rote. Kühlere Sterne verschieben ihr Maximum zu längeren Wellenlängen: K-Sterne leuchten etwas rötlicher als die Sonne und können sehr lange stabil bleiben. M-Zwerge, die kleinsten und häufigsten Sterne der Milchstraße, senden besonders viel Energie im roten und nahen infraroten Bereich aus.

Damit ändert sich von Welt zu Welt die Grundlage für eine Photosynthese. Die Farbe einer fremden Biosphäre lässt sich also nicht einfach aus der Farbe ihres Sterns ableiten. „Wir schauen nach Leben, wie wir es kennen“, sagt Kiang.

Aber dieser Blick auf die Erde ist kein Bauplan für eine Kopie. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Sternlicht, Atmosphäre, Wasser, Molekülen und Evolution.

Fenster des Lebens

Photosynthese bewegt sich im Spannungsfeld von zu viel und zu wenig Energie. Grenzen setzt die Physik. Im unteren Wellenlängenbereich liegen sie im UV-A-Bereich. Wird die Strahlung kurzwelliger, dann sind die Photonen schlicht zu energiereich.

Für das Studium von Exoplaneten gibt es inzwischen spezialisierte Observatorien. Eines namens SPECULOOS (Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars) betreibt die Europäische Südsternwarte auf dem Cerro Paranal in Chile seit Dezember 2017. Hier suchen vier robotische Teleskope mit je einem 1-Meter-Hauptspiegel im nahen Infrarot nach terrestrischen Planeten bei Roten und Braunen Zwergen. Diese kühlen Sterne sind so lichtschwach, das sich vor ihnen vorbeiziehende Planeten relativ einfach nachweisen lassen. · Foto: © ESO / G. Lambert

Hartes UV-C schädigt biologische Moleküle und bricht chemische Bindungen auf. Noch energiereicheres Röntgenlicht reißt Elektronen aus den Atomen heraus. Bei der Ionisation entstehen hochreaktive Teilchen, die komplexe Kohlenstoffverbindungen angreifen und zerstören können. Neben ihrem kurzen, heißen Leben wären O- und B-Sterne auch deshalb denkbar schlechte Kandidaten für eine stabile Biosphäre.

Am langwelligen Ende stellt sich das entgegengesetzte Problem: Je weiter das Licht ins nahe Infrarot rückt, desto weniger Energie trägt jedes einzelne Photon. Irgendwann reicht sie nicht mehr aus, um ein Elektron auf das nötige Energieniveau zu heben.

Einige Cyanobakterien verschieben diese Grenze etwas. Mit Chlorophyll f und umgebauten Photosystemen nutzen sie noch Strahlung aus dem nahen Infrarot; es liegt außerhalb des Bereichs des für den Menschen sichtbaren Spektrums. Auf fremden Welten könnte die Photosynthese noch einen Schritt weiter gehen. Zusätzliche Reaktionsstufen würden dann die Energie mehrerer Photonen nacheinander einsammeln und so auch tiefer ins nahe Infrarot vordringen. Doch mit jedem zusätzlichen Schritt wird der Prozess aufwendiger und verlustreicher.

Zwischen diesen Extremen liegt das breite Lichtfenster, das die Photosynthese nutzen kann. Dort tragen die Photonen genug Energie, um ein Pigmentmolekül anzuregen und die erste Ladungstrennung auszulösen, ohne die beteiligten Moleküle zu beschädigen. Wie weit dieses Fenster ins ultraviolette oder infrarote Licht reicht, hängt von den Pigmenten und dem Aufbau der Photosysteme ab.

Farben des Möglichen

Aus diesem Spielraum entsteht die Farbe einer Biosphäre. Der Stern gibt sie nicht einfach vor, aber er verteilt die Energie im Spektrum und bestimmt damit, welches Licht Leben nutzen kann. Pigmente reagieren auf dieses Angebot. Sie sammeln geeignete Wellenlängen ein, schützen vor schädlicher Strahlung und werfen den Rest zurück. Erst dieser zurückgeworfene Anteil würde einer fremden Landschaft ihre Farbe geben.

Auf einem Planeten um einen F-Stern träfe besonders viel blaues und ultraviolettes Licht auf die Atmosphäre. Für Organismen an der Oberfläche wäre Energie daher kaum Mangelware. Sie müssten sich vielmehr vor einem Überangebot schützen. Schon auf der Erde fangen Carotinoide und andere Schutzpigmente energiereiches Licht ab und geben überschüssige Energie wieder ab. Dominierten solche Pigmente eine fremde Vegetation, könnten gelbe, orangefarbene, rote oder violette Töne ganze Landschaften prägen. Welche Töne sich durchsetzen, hängt allerdings auch davon ab, welche Strahlung die Atmosphäre bis zum Boden durchlässt.

Künstliche Sterne im Experiment

Inzwischen holen Astrobiologen fremdes Sternlicht ins Labor. Mit LED-basierten Sternlichtsimulatoren können sie Spektren nachbilden, die nicht dem Licht der Sonne entsprechen. Einzelne Lichtkanäle werden so angesteuert, dass am Ende kein weißes Laborlicht entsteht, sondern die Strahlung eines anderen Sterntyps. In kleinen Kammern wachsen dann irdische Organismen unter einer Sonne, die es auf der Erde nur als technische Nachbildung gibt.

26 Lichtjahre entfernt im Sternbild Jungfrau läuft ein Exoplanet namens GJ 486 b in nur knapp 1,5 Tagen um einen Roten Zwergstern. Der felsige Trabant hat die dreifache Masse der Erde und ist rund 30 Prozent größer. Das Webb-Weltraumteleskop hat dort Hinweise für Wasserdampf gemessen, der jedoch auch von einem kühlen Sternfleck stammen könnte. Weitere Beobachtungen müssen zeigen, ob es sich um eine potenziell lebensfreundliche Welt handelt. · Foto: © Illustration: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted / STScI, Leah Hustak/STScI

K-Sterne stellen ein anderes Lichtangebot als die Sonne bereit. Sie sind kühler und ihr Spektrum ist stärker ins Rote verschoben. Dass irdische Photosynthese mit diesem rötlicheren Licht grundsätzlich zurechtkommt, zeigt ein Experiment an der Technischen Universität Berlin. Iva Vilović und Dirk Schulze-Makuch setzten Gartenkresse und Cyanobakterien dem simulierten Spektrum eines K-Zwergs aus. Dafür wurde zunächst berechnet, welches Licht auf der Oberfläche eines Planeten mit erdähnlicher Atmosphäre ankäme. Dieses Spektrum speiste das Team in einen LED-Simulator ein. Auch ein Tag-Nacht-Rhythmus wurde nachgestellt.

Das Ergebnis war erstaunlich unspektakulär und gerade deshalb interessant: Die Gartenkresse keimte, wurde grün und zeigte unter K-Zwerg-Licht eine ähnliche Photosyntheseleistung wie unter simuliertem Sonnenlicht. Das Cyanobakterium Chroococcidiopsis reagierte sogar stärker auf das fremde Licht.

Das Experiment verrät noch nicht, welche Farbe eine dort entstandene Vegetation hätte. Es zeigt aber, dass Leben auch ein rötlicheres Spektrum erfolgreich nutzen kann. Im Lauf der Evolution könnten Pigmente entstehen, die andere Bereiche dieses Lichts bevorzugen als das irdische Chlorophyll. Das vertraute Grün wäre damit nur noch eine Möglichkeit unter vielen.

Wenn das Licht ins Rote kippt

Während K-Sterne noch in der Nähe des vertrauten Sonnenlichts bleiben, verschieben M-Zwerge das Lichtangebot viel stärker. Ein großer Teil ihrer Strahlung liegt im roten und nahinfraroten Bereich.

Im italienischen Padua haben Forschungsteams auch dieses Licht in eine Versuchsanlage geholt. Ihr Aufbau wirkt wie eine kleine Bühne für fremde Sonnen: Oben sitzt ein Sternlichtsimulator, darunter eine Reaktionszelle, in der die Mikroorganismen wachsen. Das System ist abgeschirmt, gekühlt, überwacht und so gebaut, dass sich Licht, Temperatur und Atmosphäre kontrollieren lassen.

In dieser künstlichen Umgebung setzten die Teams um Riccardo Claudi und Nicoletta La Rocca verschiedene Cyanobakterien dem Licht eines simulierten M-Zwergs aus. Zum Vergleich ließen sie andere Kulturen unter sonnenähnlichem Licht und unter rein nahinfrarotem Licht wachsen.

Eigentlich hätte man erwarten können, dass vor allem jene Organismen profitieren, die die langen Wellenlängen mit besonderen Chlorophyllformen nutzen können. Doch unter dem vollständigen M-Zwerg-Spektrum wuchsen und photosynthetisierten alle getesteten Stämme ähnlich gut wie unter Sonnenlicht und deutlich besser als unter nahinfrarotem Licht.

Gartenkresse unter verschiedenen Lichtbedingungen: Jeweils 100 Samen wurden entweder mit Sonnenlicht bestrahlt (effektive Sternoberflächentemperatur 6.000 Grad Celsius; linke Spalte) oder mit dem simulierten Licht eines Zwergsterns der Spektralklasse K (4.600 Grad; Mitte), oder sie wurde im Dunkeln belassen (rechts). Die Fotos zeigen das Ergebnis am ersten, dritten, fünften und siebten Tag. Die Kresse keimte im Licht eines K-Sterns früher als im Sonnenlicht oder in der Dunkelheit. In den Fotos ganz unten sind die Pflanzen am siebten Tag von der Seite zu sehen. · Foto: © Vilović I, Schulze-Makuch D, Heller R. Observation of significant photosynthesis in garden cress and cyanobacteria under simulated illumination from a K dwarf star. International Journal of Astrobiology. 2024;23:e18. doi:10.1017/S1473550424000132

Auch dafür kennt die Erde bereits biologische Ansätze: das Chlorophyll f von Cyanobakterien. Organismen auf einem Planeten um einen M-Zwerg könnten in dieser Hinsicht noch extremer sein und einen großen Teil des sichtbaren und nahinfraroten Lichts aufnehmen. Für menschliche Augen würden sie dann möglicherweise sehr dunkel oder sogar schwarz erscheinen.

Ein Planet, viele Farben

Doch selbst wenn der Stern die Richtung vorgibt, müsste er einen Planeten nicht einheitlich färben. Auf der Erde nutzen Algen abhängig von der Wassertiefe unterschiedliche Pigmente, weil Wasser das Sonnenlicht mit zunehmender Tiefe immer stärker sortiert. Manche Mikroben verwenden Rhodopsine, lichtempfindliche Pigmente, zur Energiegewinnung und können dadurch rötlich oder violett gefärbt sein. Atmosphäre, Wasser, Gestein und biologische Konkurrenz könnten auch auf einer fremden Welt zahlreiche Farbnischen schaffen.

Solche Möglichkeiten nennt Nancy Kiang einen
„Regenbogen der Anpassungen“. Gemeint ist eine Vielfalt biologischer Lösungen für unterschiedliche Lichtbedingungen. Selbst auf einem einzigen Planeten könnten verschiedene Pigmente, Schutzmechanismen und Lebensräume nebeneinander bestehen.

Besonders ausgeprägt wäre ein solches Mosaik auf einem Planeten, der seinem Stern immer dieselbe Seite zuwendet. Vom grell beleuchteten Zentrum der Tagseite bis in die ewige Dämmerung am Rand würden sich Lichtmenge und Spektrum verändern. Die Biosphäre könnte daher aus unterschiedlichen Lebensräumen bestehen, jeweils geprägt vom eigenen Lichtangebot.

Eine Kante im Licht

Aus den Farben einer fremden Biosphäre könnte ein Teleskop zunächst kein Bild gewinnen. Selbst mit den kommenden Großteleskopen bliebe ein erdähnlicher Exoplanet um einen anderen Stern nur ein winziger Punkt. Ob ein ferner Wald schwarz, rot oder violett aussähe, wäre aus dieser Entfernung kaum zu erkennen. Sichtbar würden nur die Spuren, die dieses Leben im Licht hinterlässt.

Auf der Erde ist eine Spur besonders vielversprechend: Pflanzen reflektieren große Teile des sichtbaren Lichts. Im nahen Infrarot erhöht sich aber die Reflexion abrupt, sodass im Spektrum eine steile Kante entsteht. Eine solche Red Edge macht aus grüner Vegetation ein messbares Signal. Satelliten im Erdorbit nutzen diesen Sprung längst, um Pflanzenwachstum, Trockenstress oder die Ausdehnung von Wäldern und Feldern zu verfolgen.

Warum dies nicht für die Suche nach Leben auf Exoplaneten nutzen? Wenn fremde Organismen Licht ernten, könnten auch sie einen spektralen Bruch erzeugen – nicht notwendigerweise dort, wo sich die irdische Red Edge befindet.

Bei Planeten um heißere F-Sterne könnten Schutzpigmente und das stärkere blaue oder ultraviolette Licht eine solche Signatur verändern. Auch bei K-Sternen wäre eine Verschiebung denkbar, aber nicht zwingend. Bei M-Zwergen dagegen rückt das nutzbare Licht so weit ins Rote und nahe Infrarot, dass eine Reflexionskante weiter draußen im Spektrum liegen müsste. Doch sie wäre noch kein Beweis für Leben. Auch manche Minerale besitzen Reflexionskanten. Wolken, Eis, Ozeane, Atmosphäre und Gestein mischen sich in das Licht eines ganzen Planeten. Ein Teleskop sähe nicht eine Pflanze, sondern die gemischte Strahlung einer Welt.

Schwierige Beweisführung

„Wir werden Dinge finden, die uns umhauen“, gibt sich Nancy Kiang im Hinblick auf die ersten direkten Bilder ferner Planeten sicher. Doch gerade deshalb reicht es nicht, nach einer Kopie der Erde zu suchen. Entscheidend wäre, ob das Licht einer fremden Biosphäre eine Ordnung zeigt, die zu den dortigen Bedingungen passt: zum Stern, zur Atmosphäre des Planeten, zur Oberfläche und zu anderen Hinweisen auf Leben.

Überzeugen würde ein solches Signal erst im Zusammenspiel mit anderen Beobachtungen. Eine ungewöhnliche Kante auf einem wasserreichen Planeten wäre interessant. Noch interessanter wäre sie zusammen mit Gasen, die dauerhaft ohne Leben schwer zu erklären sind. Sauerstoff allein genügt nicht, denn er kann auch abiotisch entstehen. Sauerstoff oder Ozon gemeinsam mit Methan aber würden auf ein chemisches Ungleichgewicht hinweisen.

Dann ginge es nicht mehr nur um die Frage, welche Farbe fremde Pflanzen hätten. Dann würde die Farbe selbst Teil einer größeren Botschaft.

Ein Blatt im Sonnenlicht ist kosmisch

Am Ende führt die Frage nach fremden Pflanzenfarben zurück zur Erde. Ein grünes Blatt erscheint nicht mehr als Selbstverständlichkeit. Vielmehr wird es zum sichtbaren Ausdruck einer langen Beziehung zwischen einem Stern, einem seiner Planeten und dem Leben auf dessen Oberfläche.

Für Nancy Kiang liegt genau darin eine der stärksten Erfahrungen ihrer Arbeit. „Die Suche nach Leben auf anderen Welten hat vor allem meinen Blick auf das Leben hier auf der Erde verändert“, sagt sie. Diese Forschung zeigt nicht nur, wie fremd Leben anderswo sein könnte. Sie zeigt auch, wie besonders das Vertraute ist.

Vielleicht entdecken wir eines Tages auf einem Exoplaneten eine Biosphäre, die für unsere Augen dunkel, rötlich oder fremdartig schimmert. Vielleicht taucht ihr Licht nur als schwache Kante in einem Spektrum auf. Bis dahin genügt ein Blatt im Sonnenlicht, um zu erkennen: Selbst das Grün der Erde ist eine kosmische Farbe. ■

Foto: © BDW-Grafik / Karl Marx; Quelle: NASA, ESA, CSA, STScI, Joseph Olmsted / STScI; R. Vaas

KAI DÜRFELD ist
Wissenschafts- und Technikjournalist in Wermsdorf bei Leipzig. In BDW 5/2026 berichtete er über den Saturnmond Titan, in 6/2026 über das Radioobservatorium SKA.

Signatur einer Exoatmosphäre

Wenn ein Exoplanet mit einer Atmosphäre vor seinem Stern vorüberzieht, wird nur ein Teil des Sternenlichts hindurchgelassen, weil das Gas Photonen absorbiert. Jedes Element oder Molekül verschluckt dabei nur ganz bestimmte, aus Labormessungen bekannte Wellenlängen. Dadurch lassen sich diese Stoffe im Transmissionsspektrum des Sternlichts identifizieren, sodass Astronomen auf die Bestandteile der Atmosphäre schließen können. Dank der Messungen von Teleskopen wie Hubble und Webb wurden bereits Dutzende von Exoatmosphären analysiert. Die Grafik zeigt die idealisierte Simulation eines Spektrums von einem erdähnlichen Exoplaneten.

Spuren im Licht

Sterne unterscheiden sich in ihrer Leuchtkraft und in ihrem Spektrum. Hat ein Planet eine Atmosphäre, gelangt das Licht seines Sterns außerdem nicht zu gleichen Teilen an die Oberfläche, weil Moleküle wie Wasser, Sauerstoff, Ozon, Methan und Kohlendioxid es partiell absorbieren. Die Grafik zeigt das daraus resultierende Transmissionsspektrum der Erde und das Durchschnittspektrum der Sonne im Vergleich zu einem lichtschwächeren, kleineren K-Stern. Die irdische Vegetation hat sich an die spektralen Gegebenheiten angepasst. Das wäre auch bei belebten Exoplaneten der Fall.

Foto: © BDW-Grafik / Karl Marx; Quelle: I. Vilovic, D. Schulze-Makuch, R. Heller, Internat. J. Astrobiol. 23, e18 (2024); A. D. Baker et al., Astrophys. J. Suppl. 247, 24 (2020); R. Vaas