Astrobiologie
Grenzen des Lebens
Mehr als 530 Tage verbrachten die verschiedenen Organismen in der EXPOSE-R2-Anlage an der Außenseite der ISS. Bei Weltraumausstiegen wurde die Anlage installiert und rund zwei Jahre später wieder abgebaut. Quelle: NASA
Vor drei Jahren kehrten Hunderte winzige Probanden zur Erde zurück. An der Außenseite der ISS sollten sie im Dienst der Wissenschaft zeigen, wo das Leben sein Limit hat. Die Ergebnisse überraschen sogar erfahrene Astrobiologen.
Mit der ISS-Expedition 47 landeten die Proben am 18. Juni 2016 wieder auf der Erde. Bild: Bill Ingalls/NASA
Der Weltraum ist kein einladender Ort. Schon 400 Kilometer über der Erde, wo die Internationale Raumstation (ISS) ihre Kreise zieht, ist eine Atmosphäre nur noch in Spuren vorhanden. Atemgase? Fehlanzeige. Schutz vor energiereicher Strahlung? Auch den gibt es nicht. Und die Temperaturen? Die schwanken zwischen minus 157 Grad Celsius im Schatten und plus 120 Grad Celsius bei vollem Licht. Leben, so könnte man meinen, hat schon hier nicht die geringste Chance – geschweige denn an Orten, die noch weiter von der Erde entfernt sind. Oder vielleicht doch? Das wollte eine internationale Forschergruppe mit BIOMEX (BIOlogy and Mars EXperiment) herausfinden.
„Es gab ja schon früher ähnliche Experimente auf der ISS, an denen ich auch beteiligt war“, erzählt der BIOMEX-Initiator Jean-Pierre de Vera. „Doch diesmal wollten wir gleich mehrere Fragestellungen auf einmal untersuchen“, sagt der Astrobiologe vom Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof. Im Mittelpunkt stand dabei die Frage, ob der Mars habitabel ist, ob also irdische Organismen dort überleben können.
„Mich hat verblüfft, dass so viele Organismen die anderthalb Jahre im All so gut überstanden haben.“
Der methanbildende Einzeller Methanosarcina soligelidi SMA-21 erwies sich als äußert widerstandsfähig. Bild: Dirk Wagner/GFZ
Die Forscher wollten wissen, an welchen Spuren sie Moleküle oder Organismen nach Monaten unter Mars- oder Weltraumbedingungen erkennen können. „Für Sonden, die wie ExoMars einmal nach Spuren von Leben auf dem roten Planeten suchen sollen, ist das sehr wichtig“, erklärt Jean-Pierre de Vera. „Deshalb wollten wir schauen, wie sich Moleküle verändern und welche Molekülgruppen noch stabil und damit auch detektierbar sind.“
Um das herauszufinden, schickte er mit seinen Kollegen im August 2014 mithilfe der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der russischen Weltraumorganisation Roskosmos mehrere Hundert Proben verschiedener Mikroorganismen zur ISS. In einem Experimentierkasten mit dem Namen EXPOSE-R2 waren diese unter Glas auf irdische sowie simulierte marsianische und lunare Mineralien gebettet.
18 Monate lang waren die Organismen im All und auch wenn die Auswertung noch läuft, ist Jean-Pierre de Vera mit den bisherigen Ergebnissen sichtlich zufrieden. „Mich hat verblüfft, dass so viele Organismen die anderthalb Jahre im All so gut überstanden haben“, sagt er. „Sogar bei den Moosen gab es Überlebende, wenn auch nur ein sehr geringer Anteil von rund einem Prozent.“ Der war dafür bei den anderen Organismen wie Algen, Cyanobakterien oder Bakterien wesentlich höher; eine Überlebensrate zwischen 50 und 60 Prozent war bei ihnen keine Seltenheit. Manche Proben schafften es sogar bis auf 80 Prozent. Für die Auswahl der Probanden, die auf die Mission mitfliegen sollten, legten die Forscher strenge Maßstäbe an. „Zuerst einmal wollten wir wissen, wieweit die Organismen in einem marsähnlichen Umfeld auf der Erde leben“, sagt Jean-Pierre de Vera.
Die Expositionsplattform wird für biologische Experi-mente an der Außenseite der Raumstation ISS angebracht. Bild: NASA
„Wir haben einen Rundumschlag durch den gesamten Stammbaum des Lebens gemacht, um zu erkennen, wo dessen Grenzen liegen.“
Dafür kommen vor allem Hitze- und Kältewüsten infrage, wo Organismen im Laufe der Evolution verschiedene Anpassungsmechanismen entwickelt haben. „Hinzu kamen aber auch Referenzorganismen aus alpinen oder auch aus ganz normalen Gebieten. Wir haben also einen Rundumschlag durch den gesamten Stammbaum des Lebens gemacht, um zu erkennen, wo dessen Grenzen liegen“. Einige der Organismen steuerten Jean-Pierre de Vera und sein Team bei, „dafür haben wir unter anderem in den Polargebieten Proben gesammelt.“ Wegen der tiefen Temperaturen, extremen Trockenheit und hohen UV-Strahlung gelten sie als vergleichbare Gebiete zu Mars oder den Eismonden von Jupiter und Saturn. Weitere Proben kamen von anderen der 30 beteiligten Forschungseinrichtungen aus zwölf Nationen und drei Kontinenten.
„Ein signifikanter Anteil an Zellen hat die 18 Monate im All tatsächlich überlebt.“Dirk Wagner
Eine von ihnen ist das Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ. „Wir wollen verstehen, wie sich Mikroorganismen und geologische Prozesse gegenseitig beeinflussen“, erklärt Dirk Wagner, der am GFZ die Sektion Geomikrobiologie leitet. „Dabei liegt unser Fokus auf extremen Lebensräumen.“ Dirk Wagner und seine Kollegen ergründen beispielsweise, wie sich Wüstenböden unter veränderten klimatischen Bedingungen zu fruchtbaren Böden entwickeln oder wie Mikroben auf Erdbeben reagieren. „Das sind Beispiele, bei denen sich recht schnell die Frage stellt, wie das Leben auf der Erde eigentlich entstanden ist“, sagt Dirk Wagner. „Und da wir überwiegend an extrem trockenen oder extrem kalten Standorten arbeiten, lässt sich der Bogen recht schnell zu außerirdischen Lebensräumen, zum Beispiel dem Mars, spannen.“ Außerdem erhofft er sich von den Experimenten auch Antworten auf die Frage, wie sich Mikroorganismen-Gemeinschaften in extremen Gebieten auf der Erde entwickelt haben.
„Unser Mikroorganismus hat sich als äußerst resistent gegenüber allen Umweltbedingungen gezeigt, die wir getestet haben.“
Jean-Pierre de Vera sammelte auch in der Antarktis Organismen, um sie in der Marssimulationskammer unter lebensfeindlichen Bedingungen zu beobachten. Bild: Peter Lasch
Für den Härtetest im All wählten Wagner und seine Kollegen einen methanbildenden Einzeller aus, den sie aus dem sibirischen Permafrostboden isoliert haben: ein sogenanntes Archaeon. Diesen am Anfang des Lebens auf der Erde stehenden Organismen fehlt genauso wie einem Bakterium ein Zellkern. In puncto Struktur, Genetik, Biochemie und Physiologie unterscheiden sich die beiden Organismen aber deutlich.
Viele Archaeen sind extremophil, kommen also mit Bedingungen zurecht, die gemeinhin als lebensfeindlich eingestuft werden. „Unser Mikroorganismus heißt Methanosarcina soligelidi und hat sich als äußerst resistent gegenüber allen Umweltbedingungen gezeigt, die wir getestet haben“, fährt der Geomikrobiologe fort. „Sein Stoffwechsel kann bei Temperaturen unter null Grad Celsius aktiv sein. Er überlebt eine Austrocknung von mehr als einem Jahr, ist extrem salz- und strahlentolerant.“ Zuvor hat das Archaeon bereits drei Wochen in der Marssimulationskammer überlebt. Das ist ein spezieller Behälter, in dem die Umweltbedingungen des Roten Planeten penibel nachgebildet werden können. „Für uns ist das Archaeon inzwischen zu einem Modell für mögliches Leben auf dem Mars geworden, denn es könnte dort tatsächlich Stoffwechsel betreiben“, fügt Dirk Wagner hinzu.
Unter einer Schutzatmosphäre werden Hunderte Proben von EXPOSE-R2 vorsichtig für die Auswertung vorbereitet.
Das liegt zum einen daran, dass es allein mit Wasserstoff als Energiequelle und Kohlendioxid als einziger Kohlenstoffquelle existieren kann. Hinzu kommt, dass das Archaeon nur unter Ausschluss von Sauerstoff überleben kann. „So gesehen ist es ein idealer Kandidat für Leben auf dem Mars“, resümiert Dirk Wagner. „Für uns war das BIOMEX-Experiment deshalb eine gute Gelegenheit, den Organismus unter noch marsnäheren Bedingungen zu testen.“ Von den bisherigen Ergebnissen ist er sehr angetan: „Ein signifikanter Anteil an Zellen hat die 18 Monate im All tatsächlich überlebt“, sagt er. „Deren Zellen haben wir bereits mit elektronenmikroskopischen Analysen und deren DNA mit einer speziellen molekularbiologischen Methode untersucht. Im Moment sind wir dabei zu ergründen, ob die Organismen auch jetzt noch stoffwechselaktiv sein können.“
In einer Marskammer setzen Forscher extremophile Organismen den Bedingungen des Roten Planeten aus und testen so ihre Widerstandsfähigkeit.
Während die letzten Untersuchungen zu BIOMEX im Moment noch laufen, bereitet DLR-Experte Jean-Pierre de Vera schon das nächste Experiment vor: Mit BioSigN (kurz für Bio-Sig-natures and habitable Niches) nimmt er diesmal einen noch exotischeren Ort für potenzielles Leben ins Visier: die Eismonde der äußeren Planeten. Dort, so vermuten Wissenschaftler, könnte sich tatsächlich einfaches Leben entwickelt haben. In den Fontänen mächtiger Geysire, die Wasser gut 100 Kilometer in den Himmel schießen, fand die Raumsonde Cassini komplexe organische Moleküle. Künftige Missionen sollen nun genauer nach Lebenszeichen Ausschau halten. Um zu klären, wie diese Lebenszeichen aussehen könnten, will Jean-Pierre de Vera Mikroben aus der Tiefsee zur ISS schicken. Alle Stoffe, die nach dem Aufenthalt im Weltraum noch auf Leben hindeuten – die sogenannten Biosignaturen –, werden damit zu wertvollen Anhaltspunkten. Im Jahr 2022 soll BioSigN zur ISS fliegen.
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Der Schutz bewohnbarer Welten - Wissenschaftler wollen verhindern, dass Mikroorganismen mit Forschungssonden auf andere Himmelskörper eingeschleppt werden. Ihre Profession: Planetary Protection.
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