An interdisciplinary approach

Als die von den Raumfahrtbehörden NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) und ASI (Italian Space Agency) geplante Raumsonde Cassini das erste Mal Aufnahmen von Saturns Eismond Enceladus an die Erde zurückschickte, wurde schnell klar, was für eine sensationelle Entdeckung hier gemacht wurde. Enceladus besticht durch seine gewaltigen Geysire (Gesamtheit der Geysire oder "jets" wird als "plume" bezeichnet), die sich nahe dem Südpol befinden [Porco et al., 2006] und etwa 200 kg Wasserdampf pro Sekunde [Hansen et al., 2011] ins All befördern. Dieses Wasser hat seinen Ursprung höchstwahrscheinlich in einem unterirdischen Wasserozean, der sich vermutlich über den ganzen Mond erstreckt [Thomas et al., 2016]. Cassini lieferte außerdem Hinweise darauf, dass es hydrothermale Quellen am Boden dieses Ozeans geben könnte [Hsu et al., 2015]. Dort könnte es zu geochemischen Wechselwirkungen wie z.B. Serpentinisierung kommen. Bei diesem Prozess wird olivinhaltiges Gestein zu Serpentinen umgewandelt, wobei zusätzlich Wasserstoff (H2) produziert wird. Der so gebildete Wasserstoff könnte in weiterer Folge als Elektronendonor für mögliches Leben auf Enceladus verwendet werden. Neben H2 konnte Cassini auch viele weitere organische und inorganische Moleküle wie etwa Methan (CH4), Kohlendioxid (CO2) oder Ammoniak (NH3) im plume nachweisen. Die hier vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich auf interdisziplinäre Weise mit der Frage, ob Leben wie wir es kennen auf Enceladus lebensfähig wäre. Zunächst wurden Berechnungen zu den physikalischen Bedingungen, d.h. vor allem dem Druck, der auf dem Ozeanboden herrschen könnte, angestellt. Dafür wurde die innere Struktur von Enceladus modelliert, wobei sowohl auf die Möglichkeit eines lokalen als auch eines globalen Ozeans eingegangen wurde. Im nächsten Schritt ging es darum zu analysieren, welche Art von Leben überhaupt auf Enceladus eine Chance haben könnte, denn es müsste absolut unabhängig von Photosynthese (direkt und indirekt) und nicht auf Sauerstoff angewiesen sein. Eine Gruppe von Mikroorganismen, die diesen Kriterien gerecht werden, sind die sogenannten Methanbildner ("Methanogene") aus der Domäne der Archaeen. In einer ausführlichen Literaturrecherche wurde daher ein Review über die Ökophysiologie von Methanogenen im Kontext von astrobiologischen Studien verfasst. Um geeignete Stämme dieser Methanogenen zu finden, führten wir eine Vorauswahl (“screening”) durch. Dabei konnten wir eine neue Methode entwickeln, mit der man ressourcenschonend und schnell die Methanproduktion von hydrogenotrophen Methanogenen bestimmen kann. Für die große, abschließende Studie wurden die Cassini-Daten zur Zusammensetzung des plumes analysiert um daraus Rückschlüsse auf die mögliche Beschaffenheit des unterirdischen Ozeans zu gewinnen. Dies wurde dann genützt um ein Medium und eine Gaszusammensetzung zu entwickeln, die die Bedingungen auf Enceladus so gut wie möglich nachstellen sollten. In dieser Studie wurden dabei sowohl die physikalischen (65/80°C, 3-90 bar) als auch die chemischen Einflüsse (Zugabe von möglichen Inhibitoren, die im plume gefunden wurden, wie etwa NH3, Formaldehyd, Ethen, und Methanol) analysiert. Unter diesen Bedingungen wurden dann drei hydrogenotrophe methanogene Stämme kultiviert (Methanothermococcus okinawensis, Methanothermobacter marburgensis und Methanococcus villosus), wobei sich M. okinawensis als besonders geeignet herausgestellt hat. Dieser Stamm wurde ursprünglich aus einem Tiefseegraben isoliert [Takai et al., 2002] und war daher an hohe Drücke angepasst. Weiters tolerierte er die zugeführten Inhibitoren und konnte noch bei 50 bar Methanogenese durchführen. Diese Doktorarbeit stellt eine interdisziplinäre Studie da, in der gezeigt werden konnte, dass Methanogene unter Enceladus-ähnlichen Bedingungen vermehrungsfähig sind und somit ein Teil des im plume detektierten Methans biologischen Ursprungs sein könnte.When the space probe Cassini, a joint mission by NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) and ASI (Italian Space Agency), sent back the first images from Saturn's icy moon Enceladus, it quickly became clear that Cassini made a sensational discovery. Ever since Enceladus is famous for its magnificent plume, which has its origin at the south pole of Enceladus [Porco et al., 2006] and which injects approximately 200 kg water vapour per second into Saturn's magnetosphere [Hansen et al., 2011]. The source of the plume material is most likely a global subsurface ocean [Thomas et al., 2016]. Analyses of the data received from Cassini imply the existence of hydrothermal vents at the ocean floor [Hsu et al., 2015]. Ongoing geochemical activities inside the moon, such as the serpentinization of olivine in the chondritic core, i.e. the oxidation of native and ferrous iron, may be the most prominent source of molecular hydrogen (H2) in Enceladus' interior. Along with that potential electron donor, many different organic and inorganic molecules like water (H2O), methane (CH4), carbon dioxide (CO2), and ammonia (NH3) were detected in the plume. Thus, Enceladus harbours many necessary ingredients for life. This thesis takes an interdisciplinary approach to analyse the habitability of this icy moon. For that, estimations about possible physical and chemical conditions have been made. In the frame of these studies, calculations about Enceladus' interior structure were performed, both for a local and a global ocean case, respectively. The next step was to analyse, which kind of organisms would theoretically be able to survive under Enceladus-like conditions. Due to their ability to live in anoxygenic environments that are independent of photosynthesis, and due to Cassini's observations of several potential substrates and products, this study focus on methanogenic archaea (methanogens). A comprehensive review about the ecophysiology of methanogens in an astrobiological context was compiled. In parallel, a new method to indirectly quantify the CH4 production of hydrogenotrophic methanogens was developed. This method was used to perform a rapid screening to find suitable methanogenic strains for subsequent experiments. For the final study, the plume composition data received from NASA's Cassini mission was used to prepare an Enceladus-like medium for cultivation. To explore if methanogenic microorganisms can in principle sustain their metabolism under Enceladus-like conditions, we studied three strains of archaea (Methanothermococcus okinawensis, Methanothermobacter marburgensis, and Methanococcus villosus) that metabolize H2 and CO2 to produce CH4 and H2O. While mimicking potential physical conditions of Enceladus' ocean (65/80°C, 10-90 bar), tests on the tolerance towards potential gaseous and liquid inhibitors detected in Enceladus' plume were performed (high NH3 levels, formaldehyde, ethene, and methanol). In particular, M. okinawensis, the isolate from a deep marine trench [Takai et al., 2002], showed tolerance towards all of the added inhibitors and maintained methanogenesis even in the range of 10 to 50 bar. This thesis represents an interdisciplinary study, which showed that methanogenesis could in principle be feasible under Enceladus-like conditions and that some of the CH4 detected in Enceladus' plume could be, in principle, of biological origin