Bisher ist die Erde der einzige uns bekannte Planet im Kosmos, auf dem Leben existiert. Wenn wir nach habitablen Welten und außerirdischem Leben im Weltall suchen, dient unser Heimatplanet daher als Referenz: An seinem Beispiel versuchen wir abzulesen, welche chemischen oder physikalischen Indizien die Präsenz von Organismen verraten. Anzeiger können beispielsweise atmosphärische Gase sein, die sich ohne Nachschub durch Lebewesen schnell chemisch abbauen. Auch bestimmte organische Moleküle oder spektrale Auffälligkeiten können Biosignaturen sein.
Erdentwicklung ohne Leben rekonstruiert
Doch welche Merkmale eines Planeten sind echte Lebensanzeiger - und welche könnten lebensfreundliche Exoplaneten auch ohne Leben hervorbringen? Um diese Frage zu klären, hat ein Team um Samantha Gilbert-Janizek von der University of Washington in Seattle eine virtuelle Kopie der Erde erstellt. Ihr Modell bildet die gesamte Entwicklung unseres Planeten von seiner Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren bis in die Gegenwart und sogar Zukunft nach – vom innersten Kern bis zum Oberrand der Atmosphäre.
Der Clou dabei: Auf dieser virtuellen Erde gibt es kein Leben. Anders als in der Realität sind auf diesem Modellplaneten nie lebende Zellen entstanden, es haben sich keine Mikroben, Pflanzen, Tiere oder andere Organismen entwickelt. Doch abgesehen davon reproduziert dieses Erdmodell die 19 wesentlichen abiotischen Systeme sowie die prägenden Wechselwirkungen des Erdsystems.
Bei der Simulation ihrer unbelebten Erdkopie berücksichtigten die Forscher 19 grundlegende Prozesse und Systeme. — © Gilbert-Janizek et al./ The Planetary Science Journal, CC-by 4.0
Mit ihrer unbelebten Erdkopie können die Forschenden beispielsweise mitverfolgen, wie sich die Temperaturen im Laufe der Zeit verändern oder welche Gase in der Erdatmosphäre vorhanden sind und welche nicht. Das Erdmodell zeigt auch, wie der Kohlenstoffkreislauf ohne Biosphäre abläuft oder wie die Ozeane heute aussehen würden. „Unser 1D-Modell der abiotischen Erde zeichnet die Entwicklung des Kern-Mantel-Systems, der Geochemie, der Atmosphäre, der einfallenden Sonnenstrahlung und der Sonnentemperatur nach“, erklären Gilbert-Janizek und ihr Team.
Atmosphäre ohne Sauerstoff und Methan
Das Ergebnis der Simulation zeigt eine Erde, die der unsrigen in vielem gleicht – aber auch entscheidend Unterschiede aufweist. Vergleichbar sind unter anderem die Struktur und Temperaturen des Erdinneren, das Wasservolumen in den Weltmeeren und die Albedo der Erdkopie. Die Erdoberfläche und Atmosphäre der abiotischen Erde würden demnach fast genauso viel Sonnenstrahlung wieder ins All hinaus reflektieren wie unser von Leben erfüllter Planet.
Der Unterschied jedoch: Die Atmosphäre der unbelebten Erde enthält zwar auch Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff, allerdings in anderen Anteilen. Während der CO2-Gehalt der abiotischen Atmosphäre ähnlich hoch wäre wie in der realen Welt zu präindustriellen Zeiten, gäbe es fast doppelt so viel Wasserdampf. Die relative Luftfeuchtigkeit auf der unbelebten Erde läge dadurch bei 100 Prozent. Noch wichtiger: Gase wie Sauerstoff, Ozon und Methan fehlen. Vom Weltall aus betrachtet fehlen dadurch die entsprechenden Absorptionslinien im Lichtspektrum der abiotischen Erde, wie das Team ermittelte.
Stabiles, lebensfreundliches Klima auch ohne Biosphäre
Trotz dieser Unterschiede hätte sich das Klima auf der abiotischen Erde ähnlich entwickelt wie auf der belebten: „Nach 4,5 Milliarden Jahren erreicht die Oberflächentemperatur des Planeten 13,75 Grad“, berichten Gilbert-Janizek und ihre Kollegen. Ohne Menschen und Biosphäre wäre unser Planet demnach kaum kühler als in der Realität: Vor Beginn des anthropogenen Klimawandels lag die Jahresmitteltemperatur der Erde bei rund 14 Grad.
Das bedeutet: Auch ohne die Pufferwirkung von biologischen Systemen kann ein habitabler Planet ein stabiles, lebensfreundliches Klima entwickeln – ohne zu viel oder zu wenig Treibhauseffekt. Entscheidend dafür ist die Pufferwirkung geochemischer Prozesse wie Verwitterung, Vulkanausbrüchen oder chemischen Reaktionen im Ozean. „Unser Modell belegt, dass der Carbonat-Silikat-Kreislauf über geologische Zeiträume hinweg bewohnbare Oberflächentemperaturen aufrechterhalten kann, auch wenn nur CO2 und H2O als Treibhausgase präsent sind“, konstatiert das Team. Das sei eine wichtige Erkenntnis auch für die reale irdische Klimageschichte.
Gaia-Hypothese widerlegt
Die Ergebnisse des abiotischen Erdmodells werfen auch ein neues Licht auf die in den 1970er-Jahren aufgestellte Gaia-Hypothese. Nach dieser von James Lovelock und Lynn Margulis entwickelten Vorstellung des Erdsystems ist die Biosphäre essenziell, um das Klima und die Lebensfreundlichkeit des Planeten zu erhalten. Spätere Studien wie das ExoGaia-Modell schienen dies zu bestätigen. In diesem Modell verhinderten beispielsweise Mikroben und ihren Stoffwechseltätigkeit, dass sich ein virtueller Planet bis auf lebensfeindliche Temperaturen aufheizte – ohne sie war dies jedoch der Fall.
Doch die unbelebte Erdkopie widerlegt die Gaia-Hypothese: „Unser Modell zeigt, dass Leben nicht erforderlich ist, um erdähnlichen Bedingungen auf einem habitablen Planeten aufrechtzuerhalten“, schreiben Gilbert-Janizek und ihr Team. Demnach können Organismen zwar beeinflussen, wie schnell und wo beispielsweise Kohlenstoff im Ozean zu Boden sinkt und geochemisch gespeichert wird. Aber nötig sind sie für ein stabiles Klima und stabile Stoffkreisläufe offenbar nicht.
Referenz für die Suche nach Biosignaturen im All
Nach Ansicht der Forschenden liefert ihr Modell damit wichtige Einsichten in die Entwicklung habitabler Welten, aber auch eine neue Referenz für die Suche nach Biosignaturen von außerirdischem Leben. Denn das abiotische Erdmodell kann nun dabei helfen, Merkmale erdähnlicher Exoplaneten korrekt zu interpretieren. „Dieses Modell verrät, wie lebensfreundliche, aber unbelebte Planeten die Präsenz von Leben vorgaukeln können“, sagt Gilbert-Janizek.
Vor allem die simulierten Spektren der abiotischen Erde können beispielsweise klären, welche Spektrallinien nur durch die Präsenz von Leben entstanden sein können und welche nicht. Forschende können das Erdmodell in Bezug auf Stern, Umlaufbahn, Größe und Innenleben an verschiedenste Exoplaneten anpassen und dann simulieren, ob das Resultat den von ihnen beobachteten Merkmalen entspricht. Ist dies der Fall, wäre dies kein Nachweis von extraterrestrischem Leben.
Quelle: Samantha Gilbert-Janizek (University of Washington, Seattle) et al., The Planetary Science Journal, 2026; doi: 10.3847/PSJ/ae9d79
