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EXTRATERRESTRISCHES/044: Leben auf dem Mars? (Sterne und Weltraum)


Sterne und Weltraum 10/08 - Oktober 2008
Zeitschrift für Astronomie

Leben auf dem Mars?

Von Gerda Horneck


Was wissen wir über die Lebensbedingungen im Sonnensystem, und was folgt daraus für unsere Pläne zur unbemannten und bemannten Erforschung des Mars?


Bei der Suche nach Leben außerhalb der Erde steht unser Nachbarplanet Mars schon lange im Mittelpunkt des Interesses. Doch hat die Vergangenheit gezeigt, dass bei der Interpretation wissenschaftlicher Beobachtungen vom Mars oft der Wunsch »Spuren marsianischen Lebens zu entdecken« Pate stand und dies dann zu allzu optimistischen Folgerungen und auch zu drastischen Fehldeutungen führte.

Ein berühmtes Beispiel hierfür sind die sorgfältigen teleskopischen Beobachtungen, die der Astronom Giovanni Schiaparelli während der Opposition des Mars im September 1877 durchführte und 1879 noch verfeinerte (siehe den Bericht von Volker Witt auf Seite 102 ff in der Printausgabe von SuW 10/08). In der von ihm gezeichneten Karte des Mars beschrieb er helle und dunkle Regionen, die er als Meere und Kontinente deutete, sowie ein Netzwerk von Linien, die »canali«, welche die dunklen Regionen verbanden. Diese »canali« interpretierte der US-amerikanische Astronom Percival Lowell im Jahr 1894 als künstliche Wasserwege, wie sie nur intelligente Marsianer angelegt haben könnten. Die Berichte über die Marskanäle beflügelten auch die Fantasie der Schriftsteller zu jener Zeit, wie die Bücher »Der Krieg der Welten« von H. G. Wells aus dem Jahr 1898 und »Auf zwei Planeten« von Kurd Laßwitz (1897) belegen.

Tatsächlich handelte es sich bei den beobachteten »canali« wohl um eine optische Täuschung. Immerhin hatte die Marskarte von Schiaparelli noch lange Zeit Gültigkeit, bis im Jahr 1965 die NASA-Sonde Mariner 4 die ersten Fotos von der Marsoberfläche zur Erde funkte, und viele der dort eingeführten Namen sind bis heute erhalten. (Siehe den Bericht von Harro Zimmer auf Seite 46 ff in der Printausgabe von SuW 10/08.)


Die neue Suche nach Leben auf dem Mars

Die Möglichkeit, dass auf dem Mars etwas »kreucht und fleucht«, war damit allerdings noch nicht ausgeschlossen. So führten die beiden Viking-Missionen der NASA, die 1976 auf dem Mars landeten, eine Stereokamera mit, welche die Umgebung der beiden Landeplätze Chryse und Utopia nach Anzeichen von marsianischem Leben abscannten . Sie konnte rund um die Landefähren keine verdächtigen Lebenszeichen ausmachen. Wichtiger bei der Suche nach Leben auf Mars war allerdings ein chemisches und mikrobiologisches Labor an Bord eines jeden der beiden Viking-Lander, dem mit Hilfe eines kleinen Schaufelbaggers Marsbodenproben zur Analyse zugeführt wurden. Als die biologischen Tests, welche die Marsbodenproben auf Mikrobenaktivitäten hin untersuchten, zunächst positive Resultate erbrachten, löste dies unter den beteiligten Forscherteams einen Sturm der Begeisterung aus. Das betraf sowohl den Test auf Photosynthese, das heißt auf den Einbau von Kohlenstoff unter Einwirkung von Licht als Energiequelle, als auch den Test auf Atmung, also den Abbau von zugesetzter Nahrung unter Ausstoß von Kohlendioxid. Doch noch bevor die Freudenmär über die Entdeckung von Leben auf dem Mars durch die Nachrichten ging, befassten sich die Wissenschaftler genauer mit den chemischen Analysen der Marsproben. Hier fanden sich keine organischen Substanzen, also komplexe kohlenstoffhaltige Verbindungen. Da aber Leben, so wie wir es kennen, ohne organische Verbindungen nicht denkbar ist, konnten Mikroorganismen nicht die Ursache für die beobachteten Umsetzungsprozesse sein. Die »biologischen Signale« entstanden demnach durch nicht-biologische Mechanismen. Im Marsboden befinden sich hochreaktive Peroxide, die als Folge der intensiven Sonneneinstrahlung entstanden sind und die »biologischen Reaktionen« vortäuschten. In Laborexperimenten unter simulierten Marsbedingungen ließen sich die Viking-Ergebnisse teilweise durch solche nicht-biologischen Oxidationsprozesse erklären. Aber die genaue Erklärung werden wir erst kennen, wenn in einer der nächsten Landemissionen die chemische Aktivität des Marsbodens direkt untersucht worden ist.

Dies wird von der Phoenix-Mission der NASA, die am 25. Mai 2008 in den eisigen Regionen des Nordpols landete, sowie von der Mission ExoMars der ESA, deren Start für 2013 geplant ist, erwartet. Ende Juli 2008 stieß Phoenix bei der Analyse des Marsbodens auf Perchlorat-Salze, die nicht als besonders lebensfreundlich gelten können. Kurz nach der Landung hatte Phoenix das erhoffte Wassereis dicht unter der Oberfläche entdeckt. Die Analysen sind derzeit noch nicht vollständig ausgewertet (siehe auch SuW 9/2008, S. 18 - 19).

Immerhin lässt sich aus den Befunden der Viking-Analysen folgern, dass die Oberfläche des Mars vermutlich steril ist, zumindest in den beiden Ebenen Chryse Planitia (22,5 Grad Nord, 50,0 Grad West, 1500 Meter unter Normalhöhe) und Utopia Planitia (48,0 Grad Nord, 225,7 Grad West, 3000 Meter unter Normalhöhe) rund um die Landeplätze von Viking 1 und 2. Die Erfahrungen mit den Viking-Missionen zeigen, wie wichtig es ist, alle möglichen Tests durchzuführen, bevor man einen so außerordentlichen Befund verkündet, wie die Existenz marsianischen Lebens.

Eine weitere wichtige Information über mögliches Leben auf dem Roten Planeten liefern uns die rund 40 bekannten Marsmeteoriten, steinerne Zeugen, deren Heimat der Planet Mars ist. Einige enthalten in geringen Mengen komplexe organische Moleküle, die so genannten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAH) - organische Moleküle sind ja eine der Grundvoraussetzungen für Leben. Ein weiterer Befund sind Karbonateinschlüsse, die vermutlich einst aus einer kohlendioxidgesättigten Lösung ausgeschieden wurden - ein Hinweis auf Wasser in flüssiger Phase. Stark umstritten sind allerdings die wurmartigen Mikrostrukturen, die im Marsmeteoriten ALH 84001 gefunden und als fossile Nanobakterien gedeutet wurden.


Extraterrestrische Lebensräume

Noch wissen wir nicht, ob Leben außerhalb der Erde, falls es existiert, auf ähnlichen Prinzipien beruht wie das irdische Leben. Vielleicht werden wir hier eines Tages große Überraschungen erleben, wenn es uns gelingt, neben dem einzigen uns bekannten Beispiel für Leben, nämlich dem in unserer eigenen Biosphäre, Spuren weiterer Lebensformen außerhalb der Erde zu entdecken, sei es auf einem der Planeten oder Monde in unserem Sonnensystem, sei es darüber hinaus in entfernten Planetensystemen. Erst durch den Vergleich verschiedener Daseinsformen wird es uns möglich sein, zu einer universellen Definition von Leben zu gelangen. Heute wissen wir, dass die Gesetze der Physik allgemein gültig sind in Raum und Zeit. Auch die chemischen Konzepte sind universell gültig. Die Weltraumforschung liefert uns nun das Rüstzeug um auszuloten, welche biologische Vielfalt unter den im Kosmos realisierten physikalischen und chemischen Bedingungen möglich ist.

Es bleibt uns zunächst nichts anderes übrig, als in unserer eigenen Biosphäre nach solchen Grundprinzipien zu suchen. Es ist schon überraschend, dass bei der Vielzahl der verschiedenen Daseinsformen unserer Biosphäre, vom einfachsten Mikroorganismus bis hin zu den hoch entwickelten Organismen des Pflanzen- und Tierreichs sowie komplexen Lebensgemeinschaften, sehr viele Gemeinsamkeiten vorkommen. Dies zeigt sich insbesondere dann, wenn man die Organismen unter der Lupe betrachtet, beziehungsweise mit molekularbiologischen Methoden analysiert.

Alle Lebewesen bestehen aus Zellen, das heißt alle Lebensprozesse laufen in abgetrennten Räumen ab. Die Zelle als kleinste Baueinheit des Lebens übernimmt entweder isoliert - bei den Einzellern - alle notwendigen Funktionen des Lebens, oder sie übernimmt im Verbund - im Gewebe - gemäß einer Aufgabentrennung bestimmte Teilfunktionen. In allen Zellen funktionieren die wichtigsten Lebensprozesse nach dem gleichen Grundprinzip: Die langkettigen Nukleinsäuren, vor allem die Desoxyribonukleinsäure, die DNA, übernehmen die Informationsspeicherung und -weitergabe. Fehler bei der Informationsweitergabe können zu Mutationen und letztlich zur Entstehung neuer Arten führen, und stellen damit den entscheidenden Schritt der Evolution dar. Eine weitere wichtige Molekülgruppe ist diejenige der Eiweiße, die eigentlichen »Arbeiter« in der Zelle, die den Betrieb der Zelle aufrecht erhalten und damit für deren gesamten Stoffwechsel verantwortlich sind. Sie stellen auch die Enzyme, die als Katalysatoren die identische Reproduktion der Information (DNA) bei der Zellteilung übernehmen. So könnte man aus chemischer Sicht Leben als ein chemisches System bezeichnen, das in der Lage ist, molekulare Information durch Selbstreplikation weiterzugeben und dabei durch Mutation die Evolution anzutreiben.

Auf der Basis dieses gemeinsamen Grundprinzips, auf dem unsere Biosphäre beruht, lassen sich die Umweltkriterien definieren, die für Leben, so wie wir es kennen - und vermutlich auch außerhalb der Erde - unbedingt erforderlich sind: erstens die geeigneten chemischen Bausteine - hier kommt dem Kohlenstoff eine Schlüsselrolle zu; zweitens eine Energiequelle - dieses kann der Zentralstern sein, aber auch energiereiche Mineralien; sowie drittens Wasser im flüssigen Aggregatzustand. Wir wissen nicht, ob extraterrestrisches Leben allein nach diesem Grundprinzip ablaufen kann. Aber solange unsere Biosphäre die einzige uns bekannte Erscheinungsform des Lebens ist, werden diese drei Umweltkriterien - komplexe Kohlenstoffchemie, Energiequelle und flüssiges Wasser -, als Indizien für einen möglichen extraterrestrischen Lebensraum angesehen.

Dieses letztere Kriterium des flüssigen Wassers, das über einen längeren Zeitraum auf der Oberfläche eines bewohnbaren Planeten vorhanden sein muss, wird in Klimamodellen verwendet, die eine habitable, also lebensfreundliche Zone um einen Stern beschreiben. Wie das Bild auf S. 39 oben zeigt, erstreckt sich die habitable Zone in unserem Sonnensystem nach einer konservativen Abschätzung (gelbes Band) in einem Abstandsbereich von 0,95 bis 1,37 Astronomischen Einheiten (AE), beziehungsweise großzügig abgeschätzt (rosa Streifen) von 0,7 bis 1,9 AE um die Sonne. Nach dieser Abschätzung wäre Leben sogar auf den inneren Jupitermonden möglich. Planeten innerhalb dieser habitablen Zone sollten auf ihrer Oberfläche Temperaturen aufweisen, die über einen längeren Zeitraum hinweg flüssiges Wasser erlauben. Venus, Erde und Mars liegen in der habitablen Zone oder zumindest nahe daran.

Quelle: J. Kasting/SuW-Grafik - Habitable Zonen

Abb.: Die Größe der habitablen Zone um einen Zentralkörper (Stern oder Planet) ist abhängig von seiner Masse, hier in Sonnenmassen angegeben. Das gelbe Band entspricht einer konservativen, der rosa Streifen einer großzügigen Abschätzung - er schließt alle vier erdähnlichen Planeten und sogar die inneren Jupitermonde ein. Die punktierte Linie markiert den Abstand, bei dem ein Planet sich in gebundener Rotation mit dem Zentralstern befinden würde.
Quelle: J. Kasting/SuW-Grafik


Venus in ihrem heutigen Zustand, mit einer Oberflächentemperatur von mehr als 450 Grad Celsius, scheidet als Kandidat für unsere Überlegungen aus, da sie viel zu heiß ist, um flüssiges Wasser und damit Leben zu beherbergen. Allerdings ist noch umstritten, ob in ihrer Frühzeit gemäßigtere Temperaturen und damit auch lebensgünstigere Bedingungen auf ihr herrschten. Immerhin hat sie mit der Erde manches gemeinsam: etwa gleiche Größe, Zusammensetzung und Schwerkraft. Die enorm hohen Temperaturen auf ihrer Oberfläche sind die Folge eines Treibhauseffekts, angetrieben durch die hohe Konzentration an Kohlendioxid in der dichten Atmosphäre. Neue Erkenntnisse hierzu liefert die europäische Raumsonde Venus Express, die seit 2006 die Venus umkreist (siehe SuW 2/2008, S. 20 - 21).


Vielfalt irdischer Lebensformen

Auf der Erde erstreckt sich die Geschichte des Lebens bereits über fast vier Milliarden Jahre. Sobald sich die glutflüssige Oberfläche unseres Planeten abgekühlt hatte, traten auch schon die ersten Lebewesen auf: einfache Mikroorganismen, wie es 3,5 Milliarden alte Fossilfunde belegen. Selbst in dem ältesten Sedimentgestein, das auf der Erde vorkommt, dem 3,8 Milliarden Jahre alten Isua-Gestein auf Grönland, gibt es bereits zellähnliche Mikrostrukturen, die sich als fossile Mikroorganismen deuten lassen. Deren Isotopenanalyse lässt auf einen ausgeklügelten Stoffwechsel schließen, so dass das Auftreten der ersten, noch einfacheren Lebensformen noch älter sein muss.

Diese Mikrobenwelt herrschte mehr als zwei Milliarden Jahre lang auf der Erde, bevor mit dem Auftreten der ersten mehrzelligen Organismen der Startschuss zu der heutigen Vielfalt in Form und Organisation gegeben wurde. So benötigte die biologische Evolution auf der Erde etwa vier Milliarden Jahre, um aus einfachen Mikroorganismen über komplexe Vielzeller eine intelligente Zivilisation hervorzubringen (Siehe Kasten auf Seite 42). Allerdings sind die Mikroorganismen niemals ausgestorben, vielmehr haben sie sich in allen nur erdenkbaren Nischen auf der Erde eingenistet und auch an extreme Bedingungen angepasst.

So finden wir speziell angepasste Mikrobengesellschaften auch in heißen Quellen, sogar tief unten im Meer, in den so genannten »Schwarzen Rauchern«, bei Temperaturen von 100 Grad Celsius und mehr. Und auch Bohrungen in die eisigen Regionen des Permafrosts förderten noch aus 60 Meter Tiefe eine üppige Mikrobenvielfalt zu Tage.

Selbst konzentrierte Salzlösungen, wie sie in Salz- oder Sodaseen vorkommen, beherbergen eine Vielfalt angepasster Mikroorganismen, während hier höher entwickelte Lebensformen nahezu fehlen. Und sogar kilometertief in der Erde entdeckten Biologen noch einzigartige Mikrobengemeinschaften, die an diese unwirtlichen Umweltbedingungen optimal angepasst sind.

Bakteriensporen erwiesen sich als besonders gute Überlebenskünstler unter unwirtlichen Umweltbedingungen. Sie stellen eine äußerst resistente Dauerform dar, die unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise bei Nährstoffarmut, in einer Zelle gebildet werden, und nach ihrer Freisetzung leicht durch Luft und Wasser an günstigere Orte transportiert werden können, wo sie wieder auskeimen. Dabei können sie Zeiträume von Tausenden, vielleicht sogar Millionen von Jahren unbeschädigt überleben. In einem Weltraumexperiment überlebten Sporen der Heubakterie Bacillus subtilis mehr als sechs Jahre in den luftleeren Regionen des Weltraums, unter der intensiven Strahlung kosmischen Ursprungs.


Die Chancen für Mars

Mars ist der dritte Planet im »Grüngürtel« um unsere Sonne, und er gilt als bester Kandidat für die direkte Suche nach Leben außerhalb der Erde. Viele neuere Beobachtungen, vor allem mit den Instrumenten der Marssonden, zeigen, dass das Klima auf dem Mars einst bedeutend lebensfreundlicher, feuchter und wärmer war. Die Bilder enthüllen interessante Oberflächenstrukturen, wie wir sie auch von der Erde kennen: Berge, Täler und Flussläufe. Zumindest lassen sich die Gebilde, die wie gewaltige Adernetze den Mars über mehrere hundert Kilometer überziehen, am besten als ausgetrocknete Flussläufe interpretieren. Andere Strukturen gleichen Urstromtälern, die vermutlich durch Flutkatastrophen enormen Ausmaßes geformt wurden. Bei solchen Formationen könnten auch Seeausbrüche von Gletschern ihre Spuren hinterlassen haben.

Also spricht manches dafür, dass der Mars früher Epochen durchlief, in denen das Klima warm und feucht war, so dass Flussläufe übers Land ziehen konnten und Seen weite Gebiete bedeckten. Damit wäre eine der Grundvoraussetzungen für Leben, nämlich Wasser in flüssiger Form, zumindest zeitweise auf dem Mars gegeben.

»Folge dem Wasser« ist deshalb auch das Leitmotiv der beiden Marsfahrzeuge Spirit und Opportunity der NASA, die schon seit mehr als vier Jahren größere Regionen des Mars untersuchen. Vor allem die Region Meridiani Planum, in der sich Opportunity fortbewegt, zeigt deutliche geologische Veränderungen und mineralogische Spuren, die einst durch Wasser entstanden.

In diesem Sinne sind auch neuere Ergebnisse der ESA-Mission Mars Express von Bedeutung, bei der das Instrument MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding) am Südpol des Mars bis zu zwei Kilometer mächtige Schichten aus Wassereis entdeckt hat, die insgesamt einer Wassermenge von 1,6 Millionen Kubikkilometern entsprechen. Diese Wassermassen würden ausreichen, um die gesamte Oberfläche des Roten Planeten mit einem elf Meter tiefen »Ozean« zu bedecken.

Klimamodelle beschreiben für den Mars ein Szenario, bei dem der Planet im Anschluss an eine frühe Feuchtperiode schrittweise immer trockener und kälter wurde. Wenn das Leben einst auf dem Mars entstanden ist, so könnte es, in Analogie zu unserer irdischen Biosphäre, durchaus in der Lage gewesen sein, Strategien zur Anpassung an die sich allmählich wandelnden Umweltbedingungen zu entwickeln und eventuell noch heute als unterirdische Mars-Biosphäre existieren. Mikrobengesellschaften in solchen ökologischen Nischen, oder auch deren Fingerabdrücke als Mikrofossilien in Sedimentgesteinen könnte man vielleicht noch heute vorfinden.

Diese graduelle Austrocknung der Marsoberfläche ist jedoch nicht die einzige geltende Vorstellung. Nach anderen Modellen, die auf den auch in neuerer Zeit auftretenden Wasserrinnsalen in manchen Tal- und Kraterwänden beruhen, gab es auch in jüngerer Zeit kurzfristige Feuchtperioden. In diesem Fall könnte das Leben resistente Formen entwickelt haben, die auch solche unwirtlichen Trockenperioden überdauern. Ein irdisches Beispiel hierfür sind die Bakteriensporen, die äußerst widerstandsfähig sind und lange »Durststrecken« überleben können. So ließen sich unlängst Bakteriensporen aus dominikanischem Bernstein wieder zum Leben erwecken, die dort etwa 25 Millionen Jahre lang im Verdauungstrakt eines eingeschlossenen Insekts überlebt haben. Umstritten sind noch die Berichte über ein noch längeres Überleben von Bakteriensporen als Einschlüsse in 250 Millionen Jahre alten Salzstöcken.

Sollte demnach auch der Mars einst von einem Mikrobenreich beherrscht worden sein, dann könnten sich dessen Fingerabdrücke als Mikrofossilien vielleicht noch heute in Sedimentgesteinen aufspüren lassen. Marssonden wie Phoenix und die künftigen Missionen Mars Science Laboratory der NASA sowie ExoMars der ESA werden danach suchen müssen. ExoMars wird als erstes Landegerät einen Bohrer mitführen, um Proben aus Tiefen von bis zu zwei Metern zu entnehmen und zu untersuchen. Die Sonde wird vor allem drei Aufgaben verfolgen: Die Suche nach Anzeichen für früheres und für aktuelles Leben auf dem Mars, sowie die Erforschung der Umweltfaktoren als Vorbereitung einer bemannten Mission zum Roten Planeten.


Interplanetarer Austausch

Zwischen den Planeten der habitablen Zone unseres Sonnensystems findet ein reger Materialaustausch statt. Man fand bisher etwa 40 Meteoriten, die mit ziemlicher Sicherheit vom Mars zur Erde gelangt sind. Berechnungen lassen vermuten, dass im Laufe der Geschichte unseres Planetensystems mehrere Millionen Gesteinsbrocken zwischen den Nachbarplaneten ausgetauscht wurden. Ausgelöst werden solche Ereignisse durch den Einschlag eines kilometergroßen Asteroiden oder Kometen auf einen Planeten, wobei dann das ausgeworfene Material Fluchtgeschwindigkeit erreichen kann.

Können solche Gesteinsbrocken auch Mikroorganismen mitschleppen, die das Gestein besiedelt haben? Damit allerdings ein solcher interplanetarer Transport von Lebenskeimen möglich ist, muss eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein: Zunächst müssen die Gesteinsbrocken von Mikroorganismen besiedelt sein; hierzu gibt es zahlreiche terrestrische Beispiele gesteinsbewohnender, so genannter endolithischer Mikrobengesellschaften. Dann dürfen die eingeschlossenen Mikroorganismen beim Meteoriteneinschlag und Herausschleudern des Gesteinsbrockens nicht durch Stoßwellen geschädigt werden. Gesteine, die aus den Randzonen eines Einschlagkraters stammen, werden bei ihrem Auswurf kaum über 100 Grad Celsius erhitzt.

Weiterhin müssen die eingeschlossenen Mikroorganismen den Aufenthalt im Weltraum überleben; Untersuchungen an Mikroorganismen im Weltraum zeigten, dass insbesondere die resistenten Dauerformen eine mehrjährige Weltraumreise nahezu unbeschädigt überleben.

Auch die Landung auf einem anderen Planeten dürfte kein unüberwindliches Hindernis sein; selbst wenn die äußerste Schicht beim Eintritt in die Atmosphäre glühend heiß wird, bewahrt der innere Kern eines Meteoriten hierbei die Kälte des Weltraums. Die Ausbreitung resistenter Lebenskeime über ihren Heimatplaneten hinaus in unserem Sonnensystem könnte ein durchaus möglicher Prozess zu sein.


Strategien der bemannten Raumfahrt

Falls authentisches marsianisches Leben existiert, kann eine Suche danach nur dann erfolgreich verlaufen, wenn wir bei allen Marslandemissionen auf äußerste Sterilität der Landegeräte achten. Denn mit dem Einschleppen terrestrischer Keime würde man die einzigartige Chance verspielen, eine zweite Form von Leben in unserem Sonnensystem zu finden. Auf der Basis des 1967 abgeschlossenen Weltraumvertrags der Vereinten Nationen erarbeitete das Committee on Space Research (COSPAR) Richtlinien, die je nach Zielplanet und Art der Mission genaue Reinheitsanforderungen auflisten, die bei jeder Planetenmission beachtet werden müssen.

Mit den internationalen Robotik-Missionen zum Mars und zu den anderen Planeten unseres Sonnensystems stehen wir erst am Anfang einer neuen Ära, die wesentlich durch die Erkenntnisse aus dem Weltraum geprägt ist und vielleicht einmal als Weltraumzeitalter in die Geschichte eingehen wird. Internationale Pläne, vor allem der NASA und der ESA, sehen vor, den Robotik-Missionen schon bald bemannte Missionen folgen zu lassen. Dies mag manchen Vorteil für die Suche nach Leben auf dem Mars haben. In Analogie zu Expeditionen auf der Erde ist es für einen Experten, beispielsweise einen Geologen, sicherlich leichter, vor Ort unbekannte Gesteinsarten kritisch zu inspizieren und die richtigen Entscheidungen zu treffen, als für einen vorprogrammierten Roboter. Weiterhin ließen sich, im Gegensatz zu den wenigen Gramm Marsproben, die eine Probenrückholmission zur Erde bringt, in einem Labor auf dem Mars viele verschiedene Proben im Detail untersuchen. Auch die Möglichkeit, Anlagen und Geräte zu reparieren - wie es die erfolgreiche Reparatur des Weltraumteleskops Hubble demonstrierte - ist nicht zu verachten.

Auf der anderen Seite müssen die Missionsplaner die Erfordernisse des Planetenschutzes berücksichtigen, die das Einschleppen irdischer Keime zum Mars verbieten. Zudem dürfen die Astronauten bei ihrer Rückkehr nicht unsere gesamte Biosphäre durch marsianische Keime gefährden. Die hierfür notwendigen Vorkehrungen erarbeitet zurzeit COSPAR. Um eine Kontamination astrobiologisch interessanter Regionen zu vermeiden, wird es erforderlich sein, dass die Astronauten nicht selbst damit in Kontakt kommen, sondern ferngesteuerte Roboter bedienen. Letztlich wäre gewiss eine Kooperation von Robotern und Astronauten auf dem Mars die ideale Kombination.

Zusätzlich zu den Anforderungen des Planetenschutzes gibt es auch noch eine Menge zu tun, um die gesundheitlichen Risiken der Astronauten zu minimieren. Hierzu zählt vor allem das Strahlenrisiko, insbesondere bei Teilcheneruptionen der Sonne. Weitere Probleme bereitet die Schwerelosigkeit während der Reise zum Mars und zurück mit gravierenden Folgen für zahlreiche Körperfunktionen, vor allem in Bezug auf den Kalzium-Abbau in den Knochen. Wichtig sind auch psychologische Probleme, die mit der großen Entfernung (Heimweh), der langen Reise auf kleinstem Raum sowie der Unmöglichkeit des Reiseabbruchs zusammenhängen. Um hierfür geeignete Gegenmaßnahmen zu entwickeln, schlugen die Marsforscher der ESA das HUMEX-Roadmap genannte Forschungsprogramm vor, das intensive Untersuchungen auf der Internationalen Raumstation, aber auch auf unbemannten Marssatelliten und in Simulationsanlagen auf der Erde vorsieht (siehe auch SuW 9/2007, S. 23 - 24).

Der Arbeitsplan dieses Programms zur Minimierung der gesundheitlichen Risiken einer bemannten Marsmission erfordert:

Langzeituntersuchungen an Astronauten sowie anderen biologischen Systemen auf der Internationalen Raumstation;
Messungen auf Raumsondenmissionen zum Mars um die Umweltbedingungen, beispielsweise Strahlung, Staub und Atmosphäre zu erfassen;
Untersuchungen in Simulationsanlagen auf der Erde unter Verwendung von Druckkammern oder Stationen in der Antarktis, sowie Teilchenbeschleunigern zum Studium der Strahlenwirkung auf verschiedene biologische Systeme,
Modellierungen der Umwelt- und Risikobeziehungen.


Ausblick

Auf unserem Weg, das Geheimnis des Lebens aufzuspüren, sind wir schon ein beträchtliches Stück weiter gekommen. Dabei ist es wichtig, die Prozesse, die zum Auftreten und zur Evolution von Leben führen, nicht als terrestrischen Einzelfall zu betrachten, sondern eingebettet in die Prozesse der kosmischen Evolution.

Entscheidende Schritte in diese Richtung brachten uns in der letzten Zeit bereits wichtige Erkenntnisse: Die Astronomen entdecken immer mehr extrasolare Planetensysteme, die auch als Heimstätten extraterrestrischen Lebens in Frage kommen; und in den dichten interstellaren Molekülwolken und zirkumstellaren Gas- und Staubscheiben finden sie komplexe organische Moleküle, die als Vorstufen des Lebens gelten. Sonden besuchen die Planeten und Monde unseres Sonnensystems, und liefern uns Daten über die »Lebensfreundlichkeit « dieser Himmelskörper, sei es noch heute oder in der Vergangenheit. Mit einer solchen konzertierten Aktion aller beteiligten Disziplinen wie Astronomie, Planetenforschung, Chemie, Biologie, Biochemie und Paläontologie wird es eher gelingen, schon bald Lebenszeichen außerhalb der Erde aufzustöbern und damit auch die Geschichte unserer eigenen Biosphäre besser zu verstehen.

Zu diesem Unterfangen trägt vor allem die neu formierte Astrobiologie entscheidend bei. In ihr arbeiten Wissenschaftler verschiedenster Disziplinen zusammen, um die Vorgänge aufzuklären, die mit der Entstehung, Evolution und Ausbreitung des Lebens verbunden sind - hier auf der Erde und darüber hinaus im Universum.


Gerda Horneck ist Biologin und war seit den Apollo-Missionen, zunächst an der Universität Frankfurt in der Arbeitsgruppe »Biophysikalische Raumforschung« und später am DLR in Köln, an zahlreichen strahlenbiologischen und exobiologischen Weltraumexperimenten beteiligt.


ZUSATZINFORMATIONEN:

Lebensentwicklung und Erdgeschichte

Die Entstehung und Entwicklung des Lebens ist eng an die Erdzeitalter gekoppelt. Je weiter man sich in die Vergangenheit der Erde begibt, umso weniger Details aus ihrer Geschichte sind bekannt. Eine aktive Geologie und ein dynamisches Wettergeschehen prägten unseren Planeten und löschten die Zeugen der frühen Vergangenheit weitgehend aus. Die Situation erinnert an eine ausgebrannte Bibliothek, wo durch das Löschwasser einzelne Seiten nicht näher bekannter Bücher herausgespült wurden und somit erhalten blieben: Nur wenige Ausschnitte der frühen Erdgeschichte sind überliefert.

Die Erdzeitalter werden teilweise erst durch fossile Überreste definiert. Die Erdgeschichte wird in vier große Teilabschnitte gegliedert, die als »Äonen« bezeichnet werden. Sie heißen Hadaikum, Archaikum, Proterozoikum und Phanerozoikum. Früher wurden die ersten drei Äonen auch als Präkambrium zusammengefasst.

Die Urzeit der Erde, das Hadaikum, reicht von ihrer Entstehung vor 4,56 Milliarden Jahren bis vor 3,8 Milliarden Jahren. In dieser Phase bildete sich unser Planet aus Milliarden kleinerer Körper und der Mond entstand durch eine gigantische Kollision mit einem marsgroßen Himmelskörper. Der junge Planet lag noch lange unter einem Beschuss aus dem All, der erst am Ende des Hadaikums aufhörte. Zu dieser Zeit dürfte die Erde wohl noch ohne Leben gewesen sein.

Im Archaikum von 3,8 bis 2,5 Milliarden Jahren entstanden durch vulkanische Aktivität und Gesteinsumwandlung die ersten Kontinente, und die globale Plattentektonik setzte ein, die noch heute das Antlitz unseres Planeten prägt. Aus dieser Zeit stammen auch die ersten Lebensspuren primitiver einzelliger Lebewesen.

Das Proterozoikum von vor 2,5 Milliarden bis vor 540 Millionen Jahren ist die Domäne der einzelligen Lebewesen, vor 1,5 Milliarden Jahren tauchen erstmals die »Eukaryoten« auf - Einzeller mit einem Zellkern. Gegen Ende des Proterozoikums erscheinen erste vielzellige Organismen.

Derzeit befinden wir uns im Phanerozoikum, das vor 540 Millionen Jahren begann. Es unterteilt sich in drei Ären mit den Namen Paläozoikum (Erdaltertum), Mesozoikum (Erdmittelalter) und Känozoikum (Erdneuzeit). Diese Ären untergliedern sich wiederum in Perioden und Epochen, die hier wegen ihrer Vielfalt den Rahmen sprengen würden. Sie sind vor allem durch Fossilien belegt, die in den unterschiedlichen Gesteinen gefunden werden. Besonders wichtige oder häufige von ihnen gelten als Leitfossilien und erlauben die Zuordnungen zu den Perioden oder Epochen. Die Leitfossilien ermöglichen die Aufstellung einer relativen Zeitskala, durch sie lassen sich ältere Gesteine von jüngeren unterscheiden und zeitlich einordnen. Erst ab dem 20. Jahrhundert erlaubten physikalische Messverfahren eine absolute Datierung.

Vor 245 Millionen Jahren hatten sich alle Kontinentalplatten zu einem Superkontinent vereinigt, der den Namen Pangäa (griechisch: gesamte Erde) erhielt. Er wurde umspült vom Weltozean Panthalassa (gesamtes Meer). Der Superkontinent brach in der Folge wieder auseinander, die Bruchstücke wandelten sich über viele Millionen Jahre hinweg in die Kontinente, die wir heute kennen.

Vor 65 Millionen Jahren, als am Ende der Kreidezeit die Dinosaurier und viele andere Tier- und Pflanzenarten ausstarben, begann die Erdneuzeit. Als Ursache hierfür werden entweder der Einschlag eines zehn Kilometer großen Asteroiden auf die heutige Halbinsel Yucatan in Mexiko, oder die gigantischen Vulkaneruptionen im heutigen Indien angesehen, welche die Tausende von Quadratkilometern großen Plateaubasalte der »Deccan-Trapps« schufen. Mit dem Aussterben der Dinosaurier begann die Epoche des Tertiärs, heute auch als Paläogen und Neogen bezeichnet. In dieser Epoche entwickelten sich die Säugetiere zu ihrer vollen Vielfalt.

Heute befinden wir uns in der Epoche des Quartärs, die vor rund 1,8 Millionen Jahren begann. Seitdem durchlief die Erde die Eiszeiten - mehrere massive Vergletscherungen der nördlichen und südlichen mittleren Breiten. Der Mensch ist aus geologischer Sicht extrem jung, seine ersten direkten Vorfahren traten erst vor rund drei Millionen Jahren in Afrika in Erscheinung.

Quelle: G. Horneck/SuW-Grafik

Abb.:Die Meilensteine in der Geschichte unserer Biosphäre seit ihren Anfängen vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren wurden aus Fossilfunden ermittelt.
Quelle: G. Horneck/SuW-Grafik



WIS - Wissenschaft in die Schulen!

Zu diesem Beitrag stehen Ihnen didaktische Materialien auf unserer Internetseite www.wissenschaft-schulen.de kostenlos zur Verfügung, die den Flug zum Mars thematisieren. Dieses Projekt provoziert Fragestellungen in Wissenschaft und Technik und eignet sich gut für fächerverknüpfenden Unterricht. Das Projekt Wissenschaft in die Schulen! führen wir in Zusammenarbeit mit der Landesakademie für Lehrerbildung in Bad Wildbad durch. Es wird von der Klaus Tschira Stiftung gGmbH großzügig unterstützt.


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Das Marstal Echus Chasma befindet sich auf der Nordhalbkugel des Roten Planeten. Es entstand durch einen tektonischen Bruch in der Marskruste, der später durch Erosion von flüssigem Wasser umgestaltet wurde. Die Forscher sind uneins darüber, ob es sich dabei um Grundwasser oder Wasser aus Niederschlägen handelte. Das Tal ist in diesem Ausschnitt etwa einen Kilometer tief und erstreckt sich über rund zehn Kilometer.
Diese Landkarte des Mars zeichnete der italienische Astronom Giovanni Schiaparelli nach seinen Beobachtungen während der Oppositionen des Mars in den Jahren 1877 und 1879.
Am Landeplatz der Sonde Viking 2 ist die Marsregion Utopia Planitia von etwa 30 bis 40 Zentimeter großen Gesteinsbrocken aus basaltischer Lava übersät. Das Foto wurde 1977 während des nördlichen Winters zur Mittagszeit aufgenommen, und zeigt eine dünne Frostschicht auf der Marsoberfläche.
Am 25. Mai 2008 landete Phoenix, die neueste Marssonde der NASA, sicher auf dem Roten Planeten. Die Umgebung des Landeplatzes ist eher flach und eintönig. Rechts im Bild ist der Roboterarm mit gefüllter Probenschaufel zu sehen.
Der Start der ESA-Mission ExoMars ist für Ende 2013 geplant. Ein Landefahrzeug mit Bohrer kann Proben aus Tiefen von bis zu zwei Metern entnehmen, um sie im mitgeführten astrobiologischen Labor »Pasteur« weiter zu untersuchen. ExoMars wird nach Anzeichen von marsianischem Leben, sei es ausgestorben oder noch aktiv, suchen. Als Vorbereitung auf künftige bemannte Missionen erforscht die Sonde die klimatischen Bedingungen, unter anderem das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung, sowie den Staub am Boden und in der Atmosphäre.
Oben: Der Marsmeteorit ALH 84001 wurde 1984 in den Allan Hills in der Antarktis gefunden.
Unten: Diese Mikrostrukturen im Marsmeteoriten ALH 84001 wurden zunächst für fossile Zeugnisse von marsianischem Leben gehalten.
Diese Mikrofossilien stammen aus 3,5 Milliarden Jahre altem Sedimentgestein in Josefdal Chert, Barberton, Südafrika. Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt Stäbchen von etwa zwei Mikrometern Länge, die im Gestein eingebettet sind.
In der Umgebung der als »Schwarze Raucher« bezeichneten hydrothermalen Tiefseequellen entwickelt sich ein spezielles Biotop. Die Basis der Nahrungskette bilden hier Mikroorganismen, die in heißer, lichtloser Umgebung Schwefelwasserstoff als Energielieferant nutzen, um Kohlendioxid in Biomasse umzuwandeln.
Diese elektronenmikroskopische Aufnahme enthüllt den inneren Aufbau einer Spore des Bakteriums Bacillus subtilis von ein bis zwei Mikrometern Durchmesser: Das Zytoplasma und die DNA befinden sich im inneren Bereich und sind von verschiedenen Schutzschichten umhüllt.
In diesem Sandstein aus der Antarktis haben sich wenige Millimeter unter der Oberfläche endolithische Mikroorganismen angesiedelt: Die obere schwarze Lage wird von Pilzen gebildet, die untere grüne Lage von photoautotrophen Cyanobakterien.

© 2008 Gerda Horneck, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg


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Quelle:
Sterne und Weltraum 10/08 - Oktober 2008, Seite 36 - 44
Zeitschrift für Astronomie
Herausgeber:
Prof. Dr. Matthias Bartelmann (ZAH, Univ. Heidelberg),
Prof. Dr. Thomas Henning (MPI für Astronomie),
Dr. Jakob Staude
Redaktion Sterne und Weltraum:
Max-Planck-Institut für Astronomie
Königstuhl 17, 69117 Heidelberg
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Verlag: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
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Internet: www.astronomie-heute.de

Sterne und Weltraum erscheint monatlich (12 Hefte pro Jahr).
Das Einzelheft kostet 7,90 Euro, das Abonnement 85,20 Euro pro Jahr.


veröffentlicht im Schattenblick zum 26. Oktober 2008