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8.2B: Mars-Biosignaturen - Biologie

8.2B: Mars-Biosignaturen - Biologie


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Lernziele

  • Biosignaturen beschreiben

Eine Biosignatur ist jede Substanz – wie ein Element, Isotop, Molekül oder Phänomen – die wissenschaftliche Beweise für vergangenes oder gegenwärtiges Leben liefert. Es ist wichtig zu verstehen, dass das Vorhandensein dieser Substanzen oder Ereignisse zwar das Ergebnis eines früheren oder gegenwärtigen Lebens sein könnte, sie jedoch kein endgültiger Beweis sind und nicht als solche behandelt werden sollten. Wissenschaftler bestimmen die Bedeutung einer Biosignatur nicht nur, indem sie die Wahrscheinlichkeit ihrer Entstehung durch Leben untersuchen, sondern vor allem durch die Unwahrscheinlichkeit abiotischer Prozesse, die sie erzeugen.

Mars-Biosignaturen

Auf der Erde hat das normale Funktionieren von Säugetieren einen Nebel von Chemikalien erzeugt, der durch keinen chemischen Prozess repliziert wird. Dieser Nebel besteht aus großen Mengen Sauerstoff und kleinen Mengen Methan. Dieses Gasgemisch wurde auch in der Atmosphäre des Planeten Mars beobachtet. Aufgrund der wissenschaftlichen Annahme, dass dieser Nebel nicht durch einen chemischen Prozess gebildet werden kann, kommt die Logik zu dem Schluss, dass es auf dem Planeten eine Quelle des Lebens geben muss.

Wissenschaftler halten es für notwendig, ihre Hypothesen zu erforschen, und so gab es in den 1970er Jahren zwei amerikanische Sonden namens Viking I und II, die zum Mars geschickt wurden, um nach Leben zu forschen. Die Sonden nahmen Bilder des Planeten auf, während sie sich im Orbit und auch tatsächlich auf der Marsoberfläche befanden. Die Viking-Lander führten drei Experimente zur Erkennung von Leben durch, die nach Anzeichen von Stoffwechsel suchten. Leider waren die Ergebnisse der Bildgebung und der Lebensdauererkennung nicht eindeutig. Es gibt Pläne für zukünftige Missionen zum Mars, zum Mars Science Laboratory und ExoMars, die nicht nur nach Biosignaturen suchen, sondern auch versuchen, bewohnbare Umgebungen zu entdecken.

Wichtige Punkte

  • Eine Biosignatur ist jede Substanz – wie ein Element, Isotop, Molekül oder Phänomen – die wissenschaftliche Beweise für vergangenes oder gegenwärtiges Leben liefert.
  • Auf der Erde hat das normale Funktionieren von Säugetieren einen Nebel von Chemikalien erzeugt, der durch keinen chemischen Prozess repliziert wird. Dieses Gasgemisch wurde auch in der Atmosphäre des Planeten Mars beobachtet.
  • In den 1970er Jahren gab es zwei amerikanische Sonden namens Viking I und II, die zum Mars geschickt wurden, um den Planeten nach Leben zu erforschen. Die Viking-Lander führten drei Experimente zur Erkennung von Leben durch, bei denen nach Anzeichen von Stoffwechsel gesucht wurde, aber die Ergebnisse der Bildgebung und der Erkennung von Leben waren nicht schlüssig.
  • Es gibt Pläne für zukünftige Missionen zum Mars, um nach weiteren Beweisen für Biosignaturen und bewohnbare Umgebungen für Leben zu suchen.

Schlüsselbegriffe

  • Biosignatur: Jedes messbare Phänomen, das die Anwesenheit von Leben anzeigt.
  • Stoffwechsel: Der komplette Satz chemischer Reaktionen, die in lebenden Zellen ablaufen.
  • abiotisch: Nicht lebend, leblos, gekennzeichnet durch die Abwesenheit von Leben; aus anorganischer Materie.

Ungarische Forscher behaupten, Biosignaturen in Mars-Meteoriten zu sehen

ALH-77005, ein Marsgestein, das in der Antarktis gefunden wurde, enthält laut einem Team von Wissenschaftlern aus Ungarn zahlreiche mineralisierte „Biosignaturen“, darunter kokkoide, filamentöse Strukturen und organisches Material.

Künstlerische Darstellung des bewohnbaren Mars. Bildnachweis: Daein Ballard / CC BY-SA 3.0.

„Unsere Arbeit ist für ein breites Publikum wichtig, weil sie Planeten-, Erd-, Bio-, Chemie- und Umweltwissenschaften integriert und für viele Forscher auf diesen Gebieten von Interesse sein wird“, sagte Teamleiterin Dr. Ildiko Gyollai, Forscherin am HAS Research Zentrum für Astronomie und Geowissenschaften in Budapest.

„Die Forschung wird auch für Planetologen, Experten der Meteoriten- und Astrobiologie sowie Forscher der Entstehung des Lebens und für die breite Öffentlichkeit von Interesse sein, da sie ein Beispiel für einen neuartigen Aspekt der mikrobiellen Vermittlung in Steinmeteoriten bietet.“

Dünnschliff von ALH-77005: Poikilitische Textur von Olivin mit Pyroxen-Kumulationskörnern, die untersuchte Schmelztasche (Rechteck) besteht hauptsächlich aus Olivin. Bildnachweis: Gyollai et al, doi: 10.1515/astro-2019-0002.

Der Achondrit-Meteorit ALH-77005 wurde während der Mission des japanischen National Institute of Polar Research in den Jahren 1977-1978 teilweise im Eis am Standort Allan Hills im South Victoria Land gefunden.

Es hatte eine abgerundete Form und seine Oberfläche war teilweise abgetragen und durch vom Wind verwehtes Eis grob poliert.

Sein Alter wird auf etwa 175 Millionen Jahre geschätzt, mit einer Exposition gegenüber kosmischer Strahlung von etwa 3 Millionen Jahren.

Dünnschliff von ALH-77005 in eben polarisiertem Licht: Der durch FTIR-Spektroskopie untersuchte Bereich ist durch ein Rechteck markiert, wo die starke mutmaßliche mikrobiell vermittelte Veränderung beobachtet wurde. Bildnachweis: Gyollai et al, doi: 10.1515/astro-2019-0002.

Dr. Gyollai und Co-Autoren analysierten einen Dünnschliff von ALH-77005 durch optische und FTIR-ATR-Mikroskopie.

Sie konnten das Vorhandensein von kokkoiden und filamentösen Strukturen (wahrscheinlich von eisenoxidierenden Mikroben aufgebaut) organischem Material biogenen Mineralien wie Ferrihydrit, Goethit und Hämatit nachweisen.

„Die anderen Signaturen für die Biogenität von ALH-77005 sind stark negative δ13C, Anreicherung von Eisen, Mangan, Phosphor und Zink im Schockschmelze-Unterstützungsszenario“, sagten die Forscher.

"Unsere Studie schlägt das Vorhandensein einer mikrobiellen Vermittlung auf dem Mars vor."

Die Arbeit des Teams wurde online in der Zeitschrift veröffentlicht Astronomie öffnen.

Ildikó Gyollai et al. 2019. Mineralisierte Biosignaturen in ALH-77005 Shergottit – Hinweise auf das Leben auf dem Mars? Astronomie öffnen 28 (1): 32-39 doi: 10.1515/astro-2019-0002


Inhalt

Der Begriff wurde erstmals 1953 vom russischen (sowjetischen) Astronomen Gavriil Tikhov vorgeschlagen. [28] Astrobiologie ist etymologisch aus dem Griechischen ἄστρον abgeleitet, Astron, "Konstellation, Stern" βίος , bios, "Leben" und -λογία , -logia, lernen. Die Synonyme der Astrobiologie sind vielfältig, jedoch wurden die Synonyme in Bezug auf die wichtigsten Wissenschaften strukturiert, die in ihrer Entwicklung impliziert wurden: Astronomie und Biologie. Ein enges Synonym ist Exobiologie aus dem Griechischen Έξω , "äußerlich" Βίος, bios, "Leben" und λογία, -logia, lernen. Der Begriff Exobiologie wurde vom Molekularbiologen und Nobelpreisträger Joshua Lederberg geprägt. [29] Die Exobiologie gilt als eng begrenzt auf die Suche nach Leben außerhalb der Erde, während das Fachgebiet der Astrobiologie breiter ist und die Verbindung zwischen Leben und dem Universum untersucht, die die Suche nach außerirdischem Leben einschließt, aber auch die Studie umfasst des Lebens auf der Erde, seinen Ursprung, seine Entwicklung und seine Grenzen.

Ein anderer Begriff, der in der Vergangenheit verwendet wurde, ist Xenobiologie ("Biologie der Ausländer"), ein Wort, das 1954 vom Science-Fiction-Autor Robert Heinlein in seiner Arbeit verwendet wurde Das Sternentier. [31] Der Begriff Xenobiologie wird heute in einem spezielleren Sinne verwendet, um "auf fremder Chemie basierende Biologie" zu bedeuten, sei es extraterrestrischen oder terrestrischen (möglicherweise synthetischen) Ursprungs. Da im Labor alternative Chemie-Analoga zu einigen Lebensprozessen geschaffen wurden, wird die Xenobiologie heute als ein noch vorhandenes Fach betrachtet. [32]

Obwohl es sich um ein aufstrebendes und sich entwickelndes Gebiet handelt, ist die Frage, ob es anderswo im Universum Leben gibt, eine verifizierbare Hypothese und somit eine gültige wissenschaftliche Forschungsrichtung. [33] [34] Obwohl die Astrobiologie einst außerhalb des Mainstreams der wissenschaftlichen Forschung betrachtet wurde, ist sie zu einem formalisierten Studiengebiet geworden. Der Planetenwissenschaftler David Grinspoon nennt die Astrobiologie ein Gebiet der Naturphilosophie, das Spekulationen über das Unbekannte in der bekannten wissenschaftlichen Theorie begründet. [35] Das Interesse der NASA an der Exobiologie begann mit der Entwicklung des US-Weltraumprogramms. 1959 finanzierte die NASA ihr erstes Exobiologie-Projekt, und 1960 gründete die NASA ein Exobiologie-Programm, das heute eines von vier Hauptelementen des aktuellen Astrobiologie-Programms der NASA ist. [2] [36] 1971 finanzierte die NASA die Suche nach extraterrestrischer Intelligenz (SETI), um Radiofrequenzen des elektromagnetischen Spektrums nach interstellarer Kommunikation zu durchsuchen, die von außerirdischem Leben außerhalb des Sonnensystems übertragen wird. Die Viking-Missionen der NASA zum Mars, die 1976 gestartet wurden, umfassten drei biologische Experimente, die den Stoffwechsel des gegenwärtigen Lebens auf dem Mars untersuchen sollten.

Fortschritte in den Bereichen Astrobiologie, beobachtende Astronomie und die Entdeckung großer Arten von Extremophilen mit außergewöhnlicher Fähigkeit, in den rauesten Umgebungen der Erde zu gedeihen, haben zu Spekulationen geführt, dass das Leben auf vielen der außerirdischen Körper im Universum gedeihen könnte. [12] Ein besonderer Schwerpunkt der aktuellen astrobiologischen Forschung ist die Suche nach Leben auf dem Mars aufgrund der Erdnähe und der geologischen Geschichte dieses Planeten. Es gibt immer mehr Beweise dafür, dass der Mars zuvor eine beträchtliche Menge Wasser auf seiner Oberfläche hatte, [37] [38] Wasser gilt als wesentlicher Vorläufer für die Entwicklung von kohlenstoffbasiertem Leben. [39]

Missionen, die speziell für die Suche nach aktuellem Leben auf dem Mars entwickelt wurden, waren das Viking-Programm und Beagle 2-Sonden. Die Viking-Ergebnisse waren nicht schlüssig, [40] und Beagle 2 scheiterte Minuten nach der Landung. [41] Eine zukünftige Mission mit einer starken astrobiologischen Rolle wäre der Jupiter Icy Moons Orbiter gewesen, der die gefrorenen Monde des Jupiter untersuchen sollte - von denen einige flüssiges Wasser haben könnten -, wäre sie nicht abgesagt worden. Ende 2008 untersuchte der Phoenix-Lander die Umgebung auf die Bewohnbarkeit von mikrobiellem Leben auf dem Mars in der Vergangenheit und Gegenwart und erforschte die Geschichte des Wassers dort.

Die Astrobiologie-Roadmap der Europäischen Weltraumorganisation aus dem Jahr 2016 identifizierte fünf Hauptforschungsthemen und spezifizierte mehrere wissenschaftliche Hauptziele für jedes Thema. Die fünf Forschungsthemen sind: [42] 1) Entstehung und Evolution von Planetensystemen 2) Entstehung organischer Verbindungen im Weltraum 3) Gestein-Wasser-Kohlenstoff-Wechselwirkungen, organische Synthese auf der Erde und Schritte zum Leben 4) Leben und Bewohnbarkeit 5) Biosignaturen als Erleichterung der Lebenserkennung.

Im November 2011 startete die NASA die Mission Mars Science Laboratory mit dem Neugier Rover, der im August 2012 im Krater Gale auf dem Mars landete. [43] [44] [45] Neugier Rover untersucht derzeit die Umgebung auf die Bewohnbarkeit von mikrobiellem Leben auf dem Mars in der Vergangenheit und Gegenwart. Am 9. Dezember 2013 berichtete die NASA, dass auf der Grundlage von Beweisen aus Neugier Beim Studium von Aeolis Palus enthielt der Gale-Krater einen alten Süßwassersee, der eine gastfreundliche Umgebung für mikrobielles Leben hätte sein können. [46] [25]

Die European Space Agency arbeitet derzeit mit der russischen Federal Space Agency (Roscosmos) zusammen und entwickelt den Astrobiologie-Rover ExoMars, der im Juli 2020 gestartet werden sollte, aber auf 2022 verschoben wurde. [47] Inzwischen hat die NASA die Astrobiologie Mars 2020 gestartet Rover und Sample Cacher für eine spätere Rückkehr zur Erde.

Planetare Bewohnbarkeit Bearbeiten

Bei der Suche nach Leben auf anderen Planeten wie der Erde sind einige vereinfachende Annahmen nützlich, um die Aufgaben des Astrobiologen zu reduzieren. Eine davon ist die fundierte Annahme, dass die überwiegende Mehrheit der Lebensformen in unserer Galaxie auf Kohlenstoffchemie basiert, wie alle Lebensformen auf der Erde. [48] ​​Kohlenstoff ist bekannt für die ungewöhnlich große Vielfalt an Molekülen, die um ihn herum gebildet werden können. Kohlenstoff ist das vierthäufigste Element im Universum und die Energie, die benötigt wird, um eine Bindung zu schließen oder zu brechen, ist gerade auf dem angemessenen Niveau, um Moleküle aufzubauen, die nicht nur stabil, sondern auch reaktiv sind. Die Tatsache, dass sich Kohlenstoffatome leicht an andere Kohlenstoffatome binden, ermöglicht den Aufbau extrem langer und komplexer Moleküle.

Die Anwesenheit von flüssigem Wasser ist eine vorausgesetzte Voraussetzung, da es ein gemeinsames Molekül ist und eine hervorragende Umgebung für die Bildung komplizierter kohlenstoffbasierter Moleküle bietet, die schließlich zur Entstehung von Leben führen könnten. [49] [50] Einige Forscher postulieren Umgebungen von Wasser-Ammoniak-Gemischen als mögliche Lösungsmittel für hypothetische Arten der Biochemie. [51]

Eine dritte Annahme besteht darin, sich auf Planeten zu konzentrieren, die sonnenähnliche Sterne umkreisen, um die Wahrscheinlichkeit der planetaren Bewohnbarkeit zu erhöhen. [52] Sehr große Sterne haben eine relativ kurze Lebensdauer, was bedeutet, dass das Leben auf Planeten, die sie umkreisen, möglicherweise keine Zeit hat, aufzutauchen. Sehr kleine Sterne liefern so wenig Wärme und Wärme, dass nur Planeten in sehr engen Umlaufbahnen um sie herum nicht festgefroren würden, und in so engen Umlaufbahnen würden diese Planeten durch die Gezeiten an den Stern "verriegelt". [53] Die lange Lebensdauer der Roten Zwerge könnte die Entwicklung einer bewohnbaren Umgebung auf Planeten mit dicker Atmosphäre ermöglichen. Dies ist von Bedeutung, da Rote Zwerge sehr häufig sind. (Siehe Bewohnbarkeit von Roten Zwergsystemen).

Da die Erde der einzige Planet ist, von dem bekannt ist, dass er Leben beherbergt, gibt es keinen offensichtlichen Weg zu wissen, ob eine dieser vereinfachenden Annahmen richtig ist.

Kommunikationsversuche Bearbeiten

Die Forschung zur Kommunikation mit außerirdischer Intelligenz (CETI) konzentriert sich auf das Verfassen und Entschlüsseln von Nachrichten, die theoretisch von einer anderen technologischen Zivilisation verstanden werden könnten. Zu den Kommunikationsversuchen von Menschen gehörten das Senden mathematischer Sprachen, Bildsysteme wie die Arecibo-Nachricht und computergestützte Ansätze zur Erkennung und Entschlüsselung „natürlicher“ Sprachkommunikation. Das SETI-Programm zum Beispiel verwendet sowohl Radioteleskope als auch optische Teleskope, um gezielt nach Signalen einer außerirdischen Intelligenz zu suchen.

Während einige hochkarätige Wissenschaftler wie Carl Sagan die Übertragung von Nachrichten befürworteten, [54] [55] warnte der Wissenschaftler Stephen Hawking davor und schlug vor, dass Außerirdische einfach die Erde nach ihren Ressourcen plündern und dann weiterziehen könnten. [56]

Elemente der Astrobiologie Bearbeiten

Astronomie Bearbeiten

Die meisten astronomiebezogenen astrobiologischen Forschungen fallen in die Kategorie der Erkennung von extrasolaren Planeten (Exoplaneten), wobei die Hypothese lautet, dass, wenn Leben auf der Erde entstand, es auch auf anderen Planeten mit ähnlichen Eigenschaften entstehen könnte. Zu diesem Zweck wurden eine Reihe von Instrumenten zur Erkennung erdgroßer Exoplaneten in Betracht gezogen, insbesondere der Terrestrial Planet Finder (TPF) der NASA und die Darwin-Programme der ESA, die beide eingestellt wurden. Die NASA startete die Kepler Mission im März 2009, und die französische Raumfahrtbehörde startete 2006 die COROT-Weltraummission. [57] [58] Es gibt auch einige weniger ehrgeizige bodengestützte Bemühungen.

Ziel dieser Missionen ist es, nicht nur erdgroße Planeten zu entdecken, sondern auch das Licht des Planeten direkt zu detektieren, um es spektroskopisch untersuchen zu können. Durch die Untersuchung von Planetenspektren wäre es möglich, die grundlegende Zusammensetzung der Atmosphäre und/oder Oberfläche eines extrasolaren Planeten zu bestimmen. Mit diesem Wissen könnte es möglich sein, die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, dass Leben auf diesem Planeten gefunden wird. Eine NASA-Forschungsgruppe, das Virtual Planet Laboratory, [59] verwendet Computermodellierung, um eine Vielzahl virtueller Planeten zu erzeugen, um zu sehen, wie sie aussehen würden, wenn sie von TPF oder Darwin betrachtet würden. Es ist zu hoffen, dass, sobald diese Missionen online sind, ihre Spektren mit diesen virtuellen planetarischen Spektren auf Merkmale überprüft werden können, die auf das Vorhandensein von Leben hinweisen könnten.

Eine Schätzung für die Anzahl der Planeten mit intelligenten gesprächig außerirdisches Leben kann aus der Drake-Gleichung abgeleitet werden, im Wesentlichen eine Gleichung, die die Wahrscheinlichkeit intelligenten Lebens als das Produkt von Faktoren wie dem Anteil der bewohnbaren Planeten und dem Anteil der Planeten, auf denen Leben entstehen könnte, ausdrückt: [60]

N = R ∗ × f p × n e × f l × f i × f c × L

  • n = Die Zahl der kommunikativen Zivilisationen
  • R* = Die Bildungsrate geeigneter Sterne (Sterne wie unsere Sonne)
  • FP = Der Anteil dieser Sterne mit Planeten (aktuelle Beweise deuten darauf hin, dass Planetensysteme für Sterne wie die Sonne üblich sind)
  • ne = Die Anzahl der erdgroßen Welten pro Planetensystem
  • Fl = Der Anteil dieser erdgroßen Planeten, auf denen sich tatsächlich Leben entwickelt
  • Fich = Der Anteil der Lebensorte, an denen sich Intelligenz entwickelt
  • FC = Der Anteil der kommunikativen Planeten (derjenigen, auf denen sich elektromagnetische Kommunikationstechnologie entwickelt)
  • L = Die "Lebenszeit" kommunizierender Zivilisationen

Obwohl die Begründung der Gleichung solide ist, ist es unwahrscheinlich, dass die Gleichung in absehbarer Zeit auf vernünftige Fehlergrenzen beschränkt wird. Das Problem mit der Formel besteht darin, dass sie nicht verwendet wird, um Hypothesen zu generieren oder zu unterstützen, da sie Faktoren enthält, die nie verifiziert werden können. Der erste Begriff, R*, Anzahl der Sterne, ist im Allgemeinen auf wenige Größenordnungen beschränkt. Der zweite und dritte Begriff, FP, Sterne mit Planeten und Fe, Planeten mit bewohnbaren Bedingungen, werden für die Nachbarschaft des Sterns evaluiert. Drake formulierte die Gleichung ursprünglich lediglich als Diskussionsthema auf der Green-Bank-Konferenz, [61] aber einige Anwendungen der Formel wurden wörtlich genommen und auf vereinfachende oder pseudowissenschaftliche Argumente bezogen. [62] Ein weiteres damit verbundenes Thema ist das Fermi-Paradoxon, das darauf hindeutet, dass, wenn intelligentes Leben im Universum verbreitet ist, es offensichtliche Anzeichen dafür geben sollte.

Ein weiteres aktives Forschungsgebiet in der Astrobiologie ist die Planetensystembildung. Es wurde vermutet, dass die Besonderheiten des Sonnensystems (z. B. die Anwesenheit von Jupiter als Schutzschild) [63] die Wahrscheinlichkeit, dass auf unserem Planeten intelligentes Leben entsteht, stark erhöht haben könnten. [64] [65]

Biologie Bearbeiten

Die Biologie kann nicht behaupten, dass ein Vorgang oder ein Phänomen, da es mathematisch möglich ist, zwangsweise in einem außerirdischen Körper existieren muss. Biologen legen fest, was spekulativ ist und was nicht. [62] Die Entdeckung von Extremophilen, Organismen, die in extremen Umgebungen überleben können, wurde zu einem zentralen Forschungselement für Astrobiologen, da sie wichtig sind, um vier Bereiche in den Grenzen des Lebens im planetarischen Kontext zu verstehen: das Potenzial für Panspermie, Vorwärtskontamination durch menschliche Explorationsunternehmen, planetarische Kolonisierung durch Menschen und die Erforschung von ausgestorbenem und existierendem außerirdischem Leben. [66]

Bis in die 1970er Jahre galt das Leben als vollständig abhängig von der Energie der Sonne. Pflanzen auf der Erdoberfläche nehmen Energie aus Sonnenlicht auf, um Zucker aus Kohlendioxid und Wasser zu photosynthetischen zu synthetisieren. Sogar das Leben in den Tiefen des Ozeans, in das Sonnenlicht nicht eindringen kann, sollte seine Nahrung entweder durch den Verzehr von organischem Detritus, der aus dem Oberflächenwasser regnet, oder durch den Verzehr von Tieren, die dies taten, beziehen. [67] Es wurde angenommen, dass die Fähigkeit der Welt, Leben zu erhalten, von ihrem Zugang zu Sonnenlicht abhängt. 1977, während eines Erkundungstauchgangs zum Galapagos-Rift mit dem Tiefsee-Erkundungstauchboot Alvin, entdeckten Wissenschaftler Kolonien von riesigen Röhrenwürmern, Muscheln, Krebstieren, Muscheln und anderen verschiedenen Kreaturen, die sich um unterseeische vulkanische Merkmale, die als schwarze Raucher bekannt sind, gruppierten. [67] Diese Kreaturen gedeihen, obwohl sie keinen Zugang zu Sonnenlicht haben, und es wurde bald entdeckt, dass sie ein völlig unabhängiges Ökosystem darstellen. Obwohl die meisten dieser vielzelligen Lebensformen für ihre aerobe Zellatmung gelösten Sauerstoff (hergestellt durch sauerstoffhaltige Photosynthese) benötigen und somit nicht völlig unabhängig vom Sonnenlicht sind, ist die Grundlage ihrer Nahrungskette eine Form von Bakterium, die ihre Energie aus der Oxidation reaktiver Chemikalien wie Wasserstoff oder Schwefelwasserstoff, die aus dem Erdinneren aufsteigen. Andere Lebensformen, die vollständig von der Energie des Sonnenlichts entkoppelt sind, sind grüne Schwefelbakterien, die geothermisches Licht für die anoxygene Photosynthese einfangen, oder Bakterien, die Chemolithoautotrophie basierend auf dem radioaktiven Zerfall von Uran betreiben. [68] Diese Chemosynthese revolutionierte das Studium der Biologie und Astrobiologie, indem sie enthüllte, dass Leben nicht von der Sonne abhängig sein muss, sondern nur Wasser und einen Energiegradienten benötigt, um zu existieren.

Biologen haben Extremophile gefunden, die in Eis, kochendem Wasser, Säure, Alkali, dem Wasserkern von Kernreaktoren, Salzkristallen, Giftmüll und in einer Reihe anderer extremer Lebensräume gedeihen, die zuvor für das Leben als unwirtlich galten. [69] [70] Dies eröffnete der Astrobiologie einen neuen Weg, indem die Zahl möglicher außerirdischer Lebensräume massiv erweitert wurde. Die Charakterisierung dieser Organismen, ihrer Umgebungen und ihrer Evolutionswege wird als eine entscheidende Komponente angesehen, um zu verstehen, wie sich Leben anderswo im Universum entwickeln könnte. Einige Organismen, die dem Vakuum und der Strahlung des Weltraums widerstehen können, sind beispielsweise die Flechtenpilze Rhizocarpon geographicum und Xanthoria elegans, [71] das Bakterium Bacillus safensis, [72] Deinococcus radiodurans, [72] Bacillus subtilis, [72] Hefe Saccharomyces cerevisiae, [72] Samen von Arabidopsis thaliana ('Mausohrkresse'), [72] sowie das wirbellose Tier Bärtierchen. [72] Bärtierchen gelten zwar nicht als echte Extremophile, gelten jedoch als extremotolerante Mikroorganismen, die zum Gebiet der Astrobiologie beigetragen haben. Ihre extreme Strahlungstoleranz und das Vorhandensein von DNA-Schutzproteinen könnten Antworten darauf geben, ob das Leben ohne den Schutz der Erdatmosphäre überleben kann. [73]

Jupitermond Europa [70] [74] [75] [76] [77] [78] und Saturnmond Enceladus [79] [80] gelten heute als die wahrscheinlichsten Orte für noch existierendes außerirdisches Leben im Sonnensystem aufgrund ihres unterirdischen Wassers Ozeane, in denen radiogene und Gezeitenerwärmung die Existenz von flüssigem Wasser ermöglicht. [68]

Der Ursprung des Lebens, bekannt als Abiogenese, ist im Gegensatz zur Evolution des Lebens ein weiteres laufendes Forschungsgebiet. Oparin und Haldane postulierten, dass die Bedingungen auf der frühen Erde der Bildung organischer Verbindungen aus anorganischen Elementen und damit der Bildung vieler der Chemikalien förderlich waren, die allen heute vorkommenden Lebensformen gemeinsam sind. Die Erforschung dieses Prozesses, der als präbiotische Chemie bekannt ist, hat einige Fortschritte gemacht, aber es ist noch unklar, ob sich Leben auf der Erde auf diese Weise gebildet haben könnte oder nicht. Die alternative Hypothese der Panspermie ist, dass sich die ersten Elemente des Lebens möglicherweise auf einem anderen Planeten mit noch günstigeren Bedingungen (oder sogar im interstellaren Raum, Asteroiden usw.) gebildet haben und dann auf die Erde übertragen wurden – die Panspermie-Hypothese.

Der kosmische Staub, der das Universum durchdringt, enthält komplexe organische Verbindungen ("amorphe organische Feststoffe mit einer gemischten aromatisch-aliphatischen Struktur"), die auf natürliche Weise und schnell von Sternen erzeugt werden könnten. [81] [82] [83] Darüber hinaus schlug ein Wissenschaftler vor, dass diese Verbindungen möglicherweise mit der Entwicklung des Lebens auf der Erde in Verbindung stehen, und sagte: "Wenn dies der Fall ist, hätte das Leben auf der Erde möglicherweise leichter begonnen da diese organischen Stoffe als Grundzutaten für das Leben dienen können." [81]

Mehr als 20 % des Kohlenstoffs im Universum können mit polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) in Verbindung gebracht werden, möglichen Ausgangsstoffen für die Entstehung von Leben. PAHs scheinen sich kurz nach dem Urknall gebildet zu haben, sind im ganzen Universum weit verbreitet und werden mit neuen Sternen und Exoplaneten in Verbindung gebracht. [84] PAHs werden interstellaren Mediumbedingungen ausgesetzt und durch Hydrierung, Oxygenierung und Hydroxylierung zu komplexeren organischen Stoffen umgewandelt – „ein Schritt auf dem Weg zu Aminosäuren und Nukleotiden, den Rohstoffen für Proteine ​​bzw. DNA“. [85] [86]

Im Oktober 2020 schlugen Astronomen die Idee vor, Leben auf fernen Planeten zu entdecken, indem sie die Schatten von Bäumen zu bestimmten Tageszeiten untersuchen, um Muster zu finden, die durch die Beobachtung von Exoplaneten entdeckt werden könnten. [87] [88]

Astroökologie Bearbeiten

Astroökologie befasst sich mit den Wechselwirkungen des Lebens mit Weltraumumgebungen und Ressourcen, in Planeten, Asteroiden und Kometen. Im größeren Maßstab betrifft die Astroökologie Ressourcen für das Leben über Sterne in der Galaxie durch die kosmologische Zukunft. Die Astroökologie versucht, das zukünftige Leben im Weltraum zu quantifizieren und befasst sich mit diesem Bereich der Astrobiologie.

Die experimentelle Astroökologie untersucht Ressourcen in planetaren Böden und verwendet dabei echtes Weltraummaterial in Meteoriten. [89] Die Ergebnisse legen nahe, dass Mars- und kohlenstoffhaltige Chondritmaterialien Bakterien-, Algen- und Pflanzenkulturen (Spargel, Kartoffel) mit hoher Bodenfruchtbarkeit unterstützen können. Die Ergebnisse stützen, dass Leben in frühen wässrigen Asteroiden und auf ähnlichen Materialien, die durch Staub, Kometen und Meteoriten auf die Erde importiert wurden, überlebt haben könnte und dass solche Asteroidenmaterialien als Boden für zukünftige Weltraumkolonien verwendet werden können. [89] [90]

Kosmoökologie betrifft im weitesten Sinne das Leben im Universum über kosmologische Zeiten. Die Hauptenergiequellen können rote Riesensterne und weiße und rote Zwergsterne sein, die das Leben 10-20 Jahre lang erhalten. [89] [91] Astroökologen schlagen vor, dass ihre mathematischen Modelle die potenzielle Menge an zukünftigem Leben im Weltraum quantifizieren können, was eine vergleichbare Expansion der Biodiversität ermöglicht, was möglicherweise zu verschiedenen intelligenten Lebensformen führt. [92]

Astrogeologie Bearbeiten

Astrogeologie ist eine Disziplin der Planetenwissenschaften, die sich mit der Geologie von Himmelskörpern wie Planeten und ihren Monden, Asteroiden, Kometen und Meteoriten befasst. Die von dieser Disziplin gesammelten Informationen ermöglichen die Messung des Potenzials eines Planeten oder eines natürlichen Satelliten zur Entwicklung und Erhaltung von Leben oder der planetaren Bewohnbarkeit.

Eine weitere Disziplin der Astrogeologie ist die Geochemie, die das Studium der chemischen Zusammensetzung der Erde und anderer Planeten, chemischer Prozesse und Reaktionen, die die Zusammensetzung von Gesteinen und Böden bestimmen, der Stoff- und Energiekreisläufe und deren Wechselwirkung mit der Hydrosphäre und der Atmosphäre umfasst des Planeten. Spezialisierungen umfassen Kosmochemie, Biochemie und organische Geochemie.

Der Fossilienbestand liefert den ältesten bekannten Beweis für das Leben auf der Erde. [93] Durch die Untersuchung der fossilen Beweise sind Paläontologen in der Lage, die Arten von Organismen, die auf der frühen Erde entstanden sind, besser zu verstehen. Einige Regionen der Erde, wie die Pilbara in Westaustralien und die McMurdo Dry Valleys der Antarktis, gelten ebenfalls als geologische Analoga zu Regionen des Mars und könnten als solche Hinweise darauf geben, wie man auf der Erde nach vergangenem Leben suchen kann Mars.

Die verschiedenen organischen funktionellen Gruppen, bestehend aus Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel und einer Vielzahl von Metallen wie Eisen, Magnesium und Zink, ermöglichen die enorme Vielfalt chemischer Reaktionen, die von einem lebenden Organismus notwendigerweise katalysiert werden. Silizium dagegen interagiert nur mit wenigen anderen Atomen, und die großen Siliziummoleküle sind im Vergleich zum kombinatorischen Universum organischer Makromoleküle monoton. [62] [94] Tatsächlich scheint es wahrscheinlich, dass die Grundbausteine ​​des Lebens überall denen auf der Erde ähnlich sein werden, in der Allgemeinheit, wenn nicht sogar im Detail. [94] Obwohl davon ausgegangen wird, dass terrestrisches Leben und Leben, das unabhängig von der Erde entstehen könnte, viele ähnliche, wenn nicht sogar identische Bausteine ​​verwenden, wird von ihnen auch erwartet, dass sie einige einzigartige biochemische Eigenschaften aufweisen. Wenn das Leben anderswo im Sonnensystem einen vergleichbaren Einfluss hatte, könnte die relative Häufigkeit von Chemikalien, die für sein Überleben entscheidend sind – was auch immer sie sein mögen – seine Anwesenheit verraten. Was auch immer außerirdisches Leben sein mag, seine Tendenz, seine Umgebung chemisch zu verändern, könnte es nur verraten. [95]

Die Menschen haben lange über die Möglichkeit von Leben in anderen Umgebungen als der Erde spekuliert, jedoch haben Spekulationen über die Natur des Lebens an anderen Orten oft den Einschränkungen, die durch die Natur der Biochemie auferlegt werden, wenig Beachtung geschenkt. [94] Die Wahrscheinlichkeit, dass das Leben im gesamten Universum wahrscheinlich auf Kohlenstoff basiert, wird durch die Tatsache nahegelegt, dass Kohlenstoff eines der am häufigsten vorkommenden höheren Elemente ist. Es ist bekannt, dass nur zwei der natürlichen Atome, Kohlenstoff und Silizium, als Rückgrat von Molekülen dienen, die groß genug sind, um biologische Informationen zu tragen. Als strukturelle Grundlage des Lebens ist eine wichtige Eigenschaft von Kohlenstoff, dass er im Gegensatz zu Silizium leicht chemische Bindungen mit vielen anderen Atomen eingehen kann, wodurch die chemische Vielseitigkeit ermöglicht wird, die erforderlich ist, um die Reaktionen des biologischen Stoffwechsels und der Vermehrung durchzuführen.

Die Diskussion darüber, wo im Sonnensystem Leben vorkommen könnte, wurde historisch durch das Verständnis eingeschränkt, dass Leben letztendlich auf Licht und Wärme der Sonne beruht und daher auf die Oberflächen von Planeten beschränkt ist. [94] Die vier wahrscheinlichsten Kandidaten für Leben im Sonnensystem sind der Planet Mars, der Jupitermond Europa und die Saturnmonde Titan [96] [97] [98] [99] [100] und Enceladus. [80] [101]

Mars, Enceladus und Europa gelten vor allem deshalb als wahrscheinliche Kandidaten für die Suche nach Leben, weil sie möglicherweise unterirdisches flüssiges Wasser haben, ein Molekül, das für das Leben, wie wir es kennen, für seine Verwendung als Lösungsmittel in Zellen unerlässlich ist. [39] Wasser auf dem Mars wird in seinen polaren Eiskappen gefroren gefunden, und kürzlich auf dem Mars beobachtete neu geformte Rinnen deuten darauf hin, dass flüssiges Wasser zumindest vorübergehend auf der Oberfläche des Planeten existieren könnte. [102] [103] Bei den niedrigen Temperaturen und dem niedrigen Druck des Mars ist flüssiges Wasser wahrscheinlich stark salzhaltig. [104] Was Europa und Enceladus betrifft, so existieren unter der eisigen äußeren Kruste dieser Monde große globale Ozeane mit flüssigem Wasser. [75] [96] [97] Dieses Wasser kann durch vulkanische Schlote auf dem Meeresboden zu einem flüssigen Zustand erwärmt werden, aber die Hauptwärmequelle ist wahrscheinlich die Gezeitenheizung. [105] Am 11. Dezember 2013 berichtete die NASA über den Nachweis von „tonartigen Mineralien“ (insbesondere Schichtsilikaten), die oft mit organischen Materialien in Verbindung gebracht werden, auf der eisigen Kruste von Europa. [106] Das Vorhandensein der Mineralien könnte laut den Wissenschaftlern das Ergebnis einer Kollision mit einem Asteroiden oder Kometen gewesen sein. [106] Darüber hinaus berichteten Astronomen am 27. Juni 2018 über den Nachweis komplexer makromolekularer organischer Stoffe auf Enceladus [107] und laut NASA-Wissenschaftlern im Mai 2011 „entwickelt sich als der bewohnbarste Ort jenseits der Erde im Sonnensystem für Leben als wir wissen es". [80] [101]

Ein weiterer planetarischer Körper, der möglicherweise außerirdisches Leben aufrechterhalten könnte, ist Saturns größter Mond Titan. [100] Für Titan wurden ähnliche Bedingungen wie auf der frühen Erde beschrieben. [108] Auf seiner Oberfläche haben Wissenschaftler die ersten flüssigen Seen außerhalb der Erde entdeckt, aber diese Seen scheinen aus Ethan und/oder Methan und nicht aus Wasser zu bestehen. [109] Einige Wissenschaftler halten es für möglich, dass diese flüssigen Kohlenwasserstoffe den Platz von Wasser in lebenden Zellen einnehmen, die sich von denen auf der Erde unterscheiden. [110] [111] Nachdem Cassini-Daten untersucht wurden, wurde im März 2008 berichtet, dass Titan auch einen unterirdischen Ozean aus flüssigem Wasser und Ammoniak haben könnte. [112]

In der Atmosphäre des Planeten Venus wurde Phosphin nachgewiesen. Es sind keine abiotischen Prozesse auf dem Planeten bekannt, die seine Anwesenheit verursachen könnten. [113] Angesichts der Tatsache, dass die Venus die heißeste Oberflächentemperatur aller Planeten im Sonnensystem hat, ist das venusianische Leben, falls es existiert, höchstwahrscheinlich auf extremophile Mikroorganismen beschränkt, die in der oberen Atmosphäre des Planeten schweben, wo die Bedingungen fast erdähnlich sind. [114]

Die Messung des Verhältnisses von Wasserstoff- und Methangehalt auf dem Mars kann helfen, die Wahrscheinlichkeit von Leben auf dem Mars zu bestimmen. [115] [116] Laut den Wissenschaftlern ". niedrige H2/CH4 Verhältnisse (weniger als ungefähr 40) weisen darauf hin, dass wahrscheinlich Leben vorhanden und aktiv ist.“ [115] Andere Wissenschaftler haben kürzlich über Methoden zum Nachweis von Wasserstoff und Methan in außerirdischen Atmosphären berichtet. [117] [118]

Komplexe organische Verbindungen des Lebens, darunter Uracil, Cytosin und Thymin, wurden in einem Labor unter Weltraumbedingungen mit Ausgangschemikalien wie Pyrimidin aus Meteoriten gebildet. Pyrimidin ist wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) die kohlenstoffreichste Chemikalie im Universum. [119]

Die Hypothese der Seltenen Erden postuliert, dass vielzellige Lebensformen, die auf der Erde gefunden werden, tatsächlich eher selten sind, als Wissenschaftler annehmen. Es bietet eine mögliche Antwort auf das Fermi-Paradoxon, das besagt: "Wenn außerirdische Außerirdische häufig vorkommen, warum sind sie dann nicht offensichtlich?" Es widerspricht anscheinend dem Prinzip der Mittelmäßigkeit, das von den berühmten Astronomen Frank Drake, Carl Sagan und anderen angenommen wird. Das Prinzip der Mittelmäßigkeit legt nahe, dass das Leben auf der Erde nichts Außergewöhnliches ist und es höchstwahrscheinlich auf unzähligen anderen Welten zu finden ist.

Die systematische Suche nach möglichem Leben außerhalb der Erde ist ein gültiges multidisziplinäres wissenschaftliches Unterfangen. [120] Hypothesen und Vorhersagen über ihre Existenz und ihren Ursprung sind jedoch sehr unterschiedlich, und die Entwicklung wissenschaftlich fundierter Hypothesen kann derzeit als die konkreteste praktische Anwendung der Astrobiologie angesehen werden. Es wurde vorgeschlagen, dass Viren wahrscheinlich auf anderen lebenserhaltenden Planeten angetroffen werden [121] [122] und sogar vorhanden sein können, wenn keine biologischen Zellen vorhanden sind. [123]

Forschungsergebnisse Bearbeiten

Ab 2019 [Update] wurden keine Hinweise auf außerirdisches Leben identifiziert. [126] Die Untersuchung des Allan Hills 84001-Meteoriten, der 1984 in der Antarktis gefunden wurde und vom Mars stammte, wird von David McKay und einigen anderen Wissenschaftlern als Mikrofossilien außerirdischen Ursprungs angesehen, diese Interpretation ist umstritten. [127] [128] [129]

Yamato 000593, der zweitgrößte Meteorit vom Mars, wurde im Jahr 2000 auf der Erde gefunden. Auf mikroskopischer Ebene finden sich im Meteoriten kohlenstoffreiche Kugeln im Vergleich zu den umliegenden Gebieten, in denen solche Kugeln fehlen. Die kohlenstoffreichen Kugeln könnten laut einigen NASA-Wissenschaftlern durch biotische Aktivität entstanden sein. [130] [131] [132]

Am 5. März 2011 spekulierte Richard B. Hoover, ein Wissenschaftler des Marshall Space Flight Center, über den Fund von angeblichen Mikrofossilien, die Cyanobakterien ähnlich sind, in kohlenstoffhaltigen CI1-Meteoriten in den Randgebieten Zeitschrift für Kosmologie, eine Geschichte, über die in den Mainstream-Medien weithin berichtet wird. [133] [134] Die NASA distanzierte sich jedoch offiziell von Hoovers Behauptung. [135] Laut dem amerikanischen Astrophysiker Neil deGrasse Tyson: "Im Moment ist das Leben auf der Erde das einzige bekannte Leben im Universum, aber es gibt überzeugende Argumente dafür, dass wir nicht allein sind." [136]

Extreme Umgebungen auf der Erde

Am 17. März 2013 berichteten Forscher, dass im Marianengraben, dem tiefsten Punkt der Erde, mikrobielle Lebensformen gedeihen. [137] [138] Andere Forscher berichteten, dass Mikroben in Felsen bis zu 1.900 Fuß (580 m) unter dem Meeresboden unter 8.500 Fuß (2.600 m) Ozean vor der Küste der nordwestlichen Vereinigten Staaten gedeihen. [137] [139] Laut einem der Forscher „können Sie überall Mikroben finden – sie sind extrem anpassungsfähig und überleben, wo immer sie sind.“ [137] Hinweise auf Perchlorate wurden im gesamten Sonnensystem gefunden, insbesondere auf dem Mars. Dr. Kennda Lynch entdeckte das erste bekannte Vorkommen von Perchloraten und Perchlorat-reduzierenden Mikroben in einem Paläolake in Pilot Valley, Utah. [140] [141] Diese Funde erweitern die potentielle Bewohnbarkeit bestimmter Nischen anderer Planeten.

Im Jahr 2004 wurde die spektrale Signatur von Methan (CH
4 ) wurde in der Marsatmosphäre sowohl von erdbasierten Teleskopen als auch von der Mars-Express Orbiter. Aufgrund der Sonnenstrahlung und der kosmischen Strahlung wird Methan voraussichtlich innerhalb einiger Jahre aus der Marsatmosphäre verschwinden, sodass das Gas aktiv nachgefüllt werden muss, um die derzeitige Konzentration aufrechtzuerhalten. [142] [143] Am 7. Juni 2018 kündigte die NASA eine zyklische saisonale Variation des atmosphärischen Methans an, das durch geologische oder biologische Quellen produziert werden kann. [144] [145] [146] Der europäische ExoMars Trace Gas Orbiter misst und kartiert derzeit das atmosphärische Methan.

Es ist möglich, dass einige Exoplaneten Monde mit festen Oberflächen oder flüssige Ozeane haben, die gastfreundlich sind. Die meisten der bisher außerhalb des Sonnensystems entdeckten Planeten sind Heißgasriesen, von denen angenommen wird, dass sie für das Leben unwirtlich sind eine abweichende Zusammensetzung. Verbesserte Erkennungsmethoden und längere Beobachtungszeit werden zweifellos mehr Planetensysteme entdecken und möglicherweise einige mehr wie unseres. Die Kepler-Mission der NASA zum Beispiel versucht, erdgroße Planeten um andere Sterne herum zu entdecken, indem sie winzige Änderungen in der Lichtkurve des Sterns misst, wenn der Planet zwischen dem Stern und der Raumsonde passiert. Fortschritte in der Infrarot- und Submillimeter-Astronomie haben die Bestandteile anderer Sternensysteme enthüllt.

Die Bemühungen, Fragen wie die Häufigkeit potenziell bewohnbarer Planeten in bewohnbaren Zonen und chemische Vorläufer zu beantworten, waren sehr erfolgreich. Zahlreiche extrasolare Planeten wurden mit der Wobble-Methode und der Transitmethode entdeckt, was zeigt, dass es zahlreichere Planeten um andere Sterne gibt als bisher angenommen. Der erste erdgroße extrasolare Planet, der innerhalb der bewohnbaren Zone seines Sterns entdeckt wurde, ist Gliese 581 c. [147]

Extremophile Bearbeiten

Die Untersuchung von Extremophilen ist nützlich, um den möglichen Ursprung des Lebens auf der Erde zu verstehen und die wahrscheinlichsten Kandidaten für die zukünftige Besiedlung anderer Planeten zu finden. Ziel ist es, diejenigen Organismen nachzuweisen, die in der Lage sind, die Bedingungen der Raumfahrt zu überleben und die Vermehrungsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Die besten Kandidaten sind Extremophile, da sie sich an verschiedene extreme Bedingungen auf der Erde angepasst haben. Im Laufe der Evolution haben Extremophile verschiedene Strategien entwickelt, um die unterschiedlichen Stressbedingungen unterschiedlicher extremer Umgebungen zu überleben.Diese Stressreaktionen könnten es ihnen auch ermöglichen, unter rauen Weltraumbedingungen zu überleben, obwohl die Evolution ihrer Verwendung als Analoga zu außerirdischem Leben auch einige Einschränkungen auferlegt. [148]

Die thermophile Spezies G. thermantarcticus ist ein gutes Beispiel für einen Mikroorganismus, der die Raumfahrt überleben könnte. Es ist ein Bakterium der sporenbildenden Gattung Bacillus. Die Bildung von Sporen ermöglicht es ihm, extreme Umgebungen zu überleben und gleichzeitig das Zellwachstum wieder anzukurbeln. Es ist in der Lage, seine DNA-, Membran- und Proteinintegrität unter verschiedenen extremen Bedingungen (Austrocknung, Temperaturen bis zu -196 °C, UVC- und C-Strahlung. ) wirksam zu schützen. Es ist auch in der Lage, die durch die Weltraumumgebung verursachten Schäden zu reparieren.

Indem wir verstehen, wie extremophile Organismen die extremen Umgebungen der Erde überleben können, können wir auch verstehen, wie Mikroorganismen die Raumfahrt überlebt haben könnten und wie die Panspermie-Hypothese möglich sein könnte. [149]

Die Erforschung der Umweltgrenzen des Lebens und der Funktionsweise extremer Ökosysteme wird fortgesetzt, sodass Forscher besser vorhersagen können, welche planetarischen Umgebungen am wahrscheinlichsten Leben beherbergen. Missionen wie die Phönix Lander, Mars Science Laboratory, ExoMars, Mars 2020 Rover zum Mars und die Cassini Sonde zu den Saturnmonden soll die Möglichkeiten des Lebens auf anderen Planeten im Sonnensystem weiter erforschen.

Die beiden Viking-Lander brachten Ende der 1970er-Jahre jeweils vier Arten von biologischen Experimenten zur Marsoberfläche. Dies waren die einzigen Mars-Lander, die Experimente durchführten, die speziell nach dem Stoffwechsel durch das aktuelle mikrobielle Leben auf dem Mars suchten. Die Lander verwendeten einen Roboterarm, um Bodenproben in versiegelte Testbehälter auf dem Fahrzeug zu sammeln. Die beiden Lander waren identisch, daher wurden die gleichen Tests an zwei Orten auf der Marsoberfläche Viking 1 in der Nähe des Äquators und Viking 2 weiter nördlich durchgeführt. [150] Das Ergebnis war nicht eindeutig, [151] und wird von einigen Wissenschaftlern immer noch bestritten. [152] [153] [154] [155]

Norman Horowitz war von 1965 bis 1976 Leiter der biowissenschaftlichen Abteilung des Jet Propulsion Laboratory für die Mariner- und Viking-Missionen. Horowitz war der Ansicht, dass die große Vielseitigkeit des Kohlenstoffatoms es zu dem Element macht, das am ehesten Lösungen, sogar exotische Lösungen für die Probleme bietet Überleben des Lebens auf anderen Planeten. [156] Er war jedoch auch der Ansicht, dass die auf dem Mars gefundenen Bedingungen mit dem Leben auf Kohlenstoffbasis unvereinbar waren.

Beagle 2 war ein erfolgloser britischer Marslander, der 2003 Teil der Mars-Express-Mission der Europäischen Weltraumorganisation war. Sein Hauptzweck war die Suche nach Lebenszeichen auf dem Mars in Vergangenheit oder Gegenwart. Obwohl es sicher gelandet ist, konnte es seine Sonnenkollektoren und seine Telekommunikationsantenne nicht richtig einsetzen. [157]

EXPOSE ist eine Multi-User-Einrichtung, die 2008 außerhalb der Internationalen Raumstation ISS installiert wurde und der Astrobiologie gewidmet ist. [158] [159] EXPOSE wurde von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) für Langzeit-Raumflüge entwickelt, die eine Exposition organischer Chemikalien und biologischer Proben im Weltraum in einer niedrigen Erdumlaufbahn ermöglichen. [160]

Die Mission Mars Science Laboratory (MSL) landete die Neugier Rover, der derzeit auf dem Mars in Betrieb ist. [161] Es wurde am 26. November 2011 gestartet und landete am 6. August 2012 im Gale-Krater. [45] Missionsziele sind es, die Bewohnbarkeit des Mars zu beurteilen und dabei zu bestimmen, ob der Mars in der Lage ist oder jemals in der Lage war, Leben zu unterstützen, [162] sammeln Daten für eine zukünftige menschliche Mission, studieren die Geologie des Mars, sein Klima und bewerten weiter die Rolle, die Wasser, ein wesentlicher Bestandteil des Lebens, wie wir es kennen, bei der Bildung von Mineralien auf dem Mars spielte.

Die Tanpopo Mission ist ein orbitales Astrobiologie-Experiment, das den möglichen interplanetaren Transfer von Leben, organischen Verbindungen und möglichen terrestrischen Teilchen in der unteren Erdumlaufbahn untersucht. Der Zweck besteht darin, die Panspermie-Hypothese und die Möglichkeit des natürlichen interplanetaren Transports von mikrobiellem Leben sowie präbiotischen organischen Verbindungen zu bewerten. Frühe Missionsergebnisse zeigen, dass einige Klumpen von Mikroorganismen mindestens ein Jahr im Weltraum überleben können. [163] Dies könnte die Idee unterstützen, dass Mikroorganismen mit einer Größe von mehr als 0,5 Millimetern eine Möglichkeit für das Leben sein könnten, sich von Planet zu Planet auszubreiten. [163]

ExoMars ist eine Robotermission zum Mars, um nach möglichen Biosignaturen des Marslebens in Vergangenheit oder Gegenwart zu suchen. Diese astrobiologische Mission wird derzeit von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Zusammenarbeit mit der russischen Föderalen Weltraumorganisation (Roscosmos) entwickelt und soll 2022 starten. [164] [165] [166]

März 2020 hat seinen Rover Perseverance am 18. Februar 2021 erfolgreich im Jezero-Krater gelandet. Er wird für die Astrobiologie relevante Umgebungen auf dem Mars untersuchen, seine geologischen Prozesse und Geschichte an der Oberfläche untersuchen, einschließlich der Bewertung seiner Bewohnbarkeit in der Vergangenheit und des Potenzials zur Erhaltung von Biosignaturen und Biomolekülen in zugänglichen geologischen Materialien . [167] Das Science Definition Team schlägt vor, dass der Rover mindestens 31 Proben von Gesteinskernen und Boden für eine spätere Mission sammelt und verpackt, um sie für eine genauere Analyse in Labors auf der Erde zurückzubringen. Der Rover könnte Messungen und Technologiedemonstrationen durchführen, um den Designern einer menschlichen Expedition zu helfen, die Gefahren durch Marsstaub zu verstehen und zu demonstrieren, wie Kohlendioxid (CO2), die eine Ressource für die Herstellung von molekularem Sauerstoff (O2) und Raketentreibstoff. [168] [169]

Europa Clipper ist eine von der NASA für einen Start im Jahr 2025 geplante Mission, die eine detaillierte Erkundung des Jupitermondes Europa durchführen und untersuchen wird, ob sein interner Ozean lebenswürdige Bedingungen beherbergen könnte. [170] [171] Es wird auch bei der Auswahl zukünftiger Landeplätze helfen. [172] [173]

Vorgeschlagene Konzepte Bearbeiten

Eisbrecher-Leben ist eine Landermission, die für das Discovery-Programm der NASA für die Startgelegenheit 2021 vorgeschlagen wurde, [174] aber nicht für die Entwicklung ausgewählt wurde. Es hätte einen stationären Lander gehabt, der eine fast Kopie des erfolgreichen 2008 gewesen wäre Phönix und es hätte eine verbesserte astrobiologische wissenschaftliche Nutzlast getragen, einschließlich eines 1 Meter langen Kernbohrers, um eiszementierten Boden in den nördlichen Ebenen zu beproben, um nach organischen Molekülen und Beweisen für aktuelles oder früheres Leben auf dem Mars zu suchen. [175] [176] Eines der Hauptziele der Eisbrecher-Leben Mission ist es, die Hypothese zu testen, dass der eisreiche Boden in den Polarregionen aufgrund des Schutzes durch das Eis vor Oxidationsmitteln und Strahlung erhebliche Konzentrationen an organischen Stoffen aufweist.

Reise nach Enceladus und Titan

Reise nach Enceladus und Titan (JET) ist ein astrobiologisches Missionskonzept, um das Bewohnbarkeitspotential der Saturnmonde Enceladus und Titan mittels eines Orbiters zu beurteilen. [177] [178] [179]

Enceladus Lebensfinder

Enceladus Lebensfinder (ELF) ist ein vorgeschlagenes Astrobiologie-Missionskonzept für eine Raumsonde, die die Bewohnbarkeit des inneren Wasserozeans von Enceladus, dem sechstgrößten Saturnmond, untersuchen soll. [180] [181]

Lebensuntersuchung für Enceladus

Lebensuntersuchung für Enceladus (LEBEN) ist ein vorgeschlagenes Proben-Rückgabe-Missionskonzept für die Astrobiologie. Die Raumsonde würde in die Umlaufbahn des Saturn eintreten und mehrere Vorbeiflüge durch Enceladus' Eiswolken ermöglichen, um Eiswolkenpartikel und flüchtige Stoffe zu sammeln und sie auf einer Kapsel zur Erde zurückzubringen. Die Raumsonde kann Enceladus-Plumes, den E-Ring des Saturn und die obere Atmosphäre von Titan beproben. [182] [183] ​​[184]

Ozeanus ist ein Orbiter, der 2017 für die New Frontiers-Mission Nr. 4 vorgeschlagen wurde. Er würde zum Saturnmond Titan reisen, um seine Bewohnbarkeit zu beurteilen. [185] Ozeanus ' Ziele sind es, Titans organische Chemie, Geologie, Schwerkraft und Topographie aufzudecken, 3D-Aufklärungsdaten zu sammeln, die organischen Stoffe zu katalogisieren und zu bestimmen, wo sie mit flüssigem Wasser interagieren können. [186]

Entdecker von Enceladus und Titan

Entdecker von Enceladus und Titan (E 2 T) ist ein Orbiter-Missionskonzept, das die Entwicklung und Bewohnbarkeit der Saturn-Satelliten Enceladus und Titan untersuchen würde. Das Missionskonzept wurde 2017 von der Europäischen Weltraumorganisation vorgeschlagen. [187]


Werden wir bald Beweise für das Leben auf dem Mars haben?

Hatte der Mars jemals Leben? Unter Weltraumfans konkurriert diese Frage wahrscheinlich mit "Was gibt es zum Abendessen?" an Popularität. Aber im Gegensatz zu Ihren Essoptionen ist die Frage des Marslebens schwer zu beantworten. Ehrlich gesagt ist es eine hupende Herausforderung, nach Organismen zu suchen, die weit, weit entfernt sind und möglicherweise schon vor langer, langer Zeit ausgestorben sind.

Aber hier ist die gute Nachricht: Wissenschaftler werden bald einen Hightech-Verbündeten bei der Marsjagd haben. Am 30. Juli wird die Mission Mars 2020 von Cape Canaveral aus mit dem Rover Perseverance ins All gehoben. Dieser 1-Tonnen-Roboter wird um den Roten Planeten kreisen und nach Orten suchen, an denen Biologie existiert haben könnte. Darüber hinaus werden interessante Proben gesammelt, die schließlich zur tieferen Analyse zur Erde zurückgebracht werden können.

Die bislang ambitionierteste Suche nach Marsmenschen war die Wikinger-Expedition Mitte der 1970er Jahre. Zwei mit Instrumenten strotzende Lander führten mehrere Experimente auf der Suche nach Leben durch – auch nach mikrobiellem Leben. Viele in der Öffentlichkeit waren enttäuscht, als das Viking-Biologieteam zu dem Schluss kam, dass die Lander keine zwingenden Beweise für Leben gefunden hatten. Aber angesichts der begrenzten Empfindlichkeit der Instrumente und der Tatsache, dass sie auf dem kleinen Grundstück, auf dem sie landeten, festsitzen, wäre es dreist, zu dem Schluss zu kommen, dass der gesamte Planet immer steril ist oder war.

Die neue Suche wird in mehrfacher Hinsicht besser. Beharrlichkeit ist mit empfindlicheren Instrumenten ausgestattet, bewaffnet mit dem Wissen aus jahrzehntelanger Orbiterbeobachtung und hat den enormen Vorteil der Mobilität. Es hat auch eine andere Strategie: Anstatt nach existierendem Leben auf dem Mars zu suchen, wird es versuchen, Beweise für Organismen zu finden, die in den Salattagen des Planeten vor Milliarden von Jahren lebten, als es ein feuchterer, besserer Ort war. Denn egal wie die Geschichte des Lebens auf dem Mars aussehen mag, es wird mehr tote als lebende Organismen geben.

Natürlich kann kein Rover alle 36 Milliarden Morgen Marsrasen vermessen. Der Schlüssel, um Beweise für ehemalige Bewohner des Roten Planeten zu finden, ist also, das Territorium zu kennen, sagt Adrian Brown, ein ehemaliger leitender Forscher des SETI-Instituts und jetzt Wissenschaftler bei Plancius Research in Maryland.

„Wir wollen an Orten suchen, von denen wir glauben, dass es einmal flüssiges Wasser gegeben hat, und nicht nur Pools, die ein paar Monate oder Jahre herumstanden, sondern größere Körper, die wirklich lange existierten“, sagt er.

Folglich wird Perseverance seine Aufmerksamkeit auf ein Merkmal mit einem Durchmesser von 30 Meilen richten, das als Jezero-Krater bekannt ist. Dieser Krater wurde vor Milliarden von Jahren von einem Meteor ausgehöhlt und diente schließlich als Auffangbecken für zwei Flüsse. Für Millionen von Jahren existierte der Jezero-Krater, der von diesen Flüssen bewässert wurde, als Jezero-See. Wie jeder weiß, beherbergen Seen auf der Erde unzählige kleine Organismen, also war das vielleicht auch auf dem Mars der Fall. Die Überreste dieser ehemaligen Bewohner könnten noch im ausgetrockneten Schlamm des Kraterbodens vorhanden sein.

Tatsächlich könnten bereits Hinweise auf ihre Anwesenheit von oben entdeckt worden sein. Brown stellt fest, dass ein Spektrometer auf dem Mars Reconnaissance Orbiter Beweise für Karbonatverbindungen im Jezero-Krater gefunden hat. Auf der Erde werden Karbonate von kleinen, im Wasser lebenden Tieren wie Korallen oder Foraminiferen produziert. Die Wandtafel in Ihrem Haus besteht aus solchen toten Lebewesen.

Man kann zwar nicht sicher sein, dass die von Brown und seinen Kollegen spektroskopisch gefundenen Karbonate lebensnotwendig sind, aber es ist eine Waffe mit mehr als einem Hauch von Rauch. Tatsächlich ist es ein so überzeugender Hinweis auf die Möglichkeit von Leben auf dem Mars, dass die NASA 2 Milliarden Dollar verspielt hat, um Perseverance auf den Weg zu bringen. Es wird seine Suche nach seiner Ankunft im Februar beginnen.

Die Mission von Perseverance umfasst mehr als nur die Überprüfung von Karbonaten. Eine weitere mögliche Entdeckung, die jedem Astrobiologen den Tag versüßen würde, wäre das Auffinden von geschichteten Gesteinsmerkmalen, die als Stromatolithen bekannt sind – die strukturellen Überreste von Generationen von Bakterien, die übereinander lebten und starben.

Dies wären Beweise für Biologie, nicht nur für Chemie. Einzellige Organismen hinterlassen nicht viel an Fossilien, ihnen fehlen Knochen und Zähne. Aber Stromatolithen sind makroskopisch und hart. Im Nordwesten Australiens, im trockenen Pilbara-Kraton, findet man Gesteinsaufschlüsse von irdischen Stromatolithen, die 3 1/2 Milliarden Jahre alt sind und zu den frühesten Beweisen für die terrestrische Biologie gehören. Vielleicht gibt es etwas Ähnliches im Jezero-Krater.

Der Wettlauf um die Entdeckung von Mars-Biosignaturen wird nicht mit der Mission Mars 2020 enden. Die NASA hat einen Plan entwickelt, um die von Perseverance gesammelten Gesteine ​​​​mit Robotersystemen und einer Rakete zurückzugeben. Wir hoffen, dass die Proben aus Jezero bis 2031 in terrestrischen Labors sein werden. Dann werden wir mit den weltbesten Instrumenten, die sie Atom für Atom zerlegen, unsere bisher beste Chance bekommen, Lebenszeichen von einem anderen Planeten zu finden.

„Seit Jahrhunderten haben sich Wissenschaftler den Kopf zerbrochen, um herauszufinden, ob der Mars jemals mit Biologie aufblühte“, bemerkt Brown. „Dieses Experiment könnte unsere bisher beste Chance sein, es zu finden. Und natürlich wäre es sowohl wichtig als auch spannend zu erfahren, dass die Erde nicht der einzige Planet in unserem Sonnensystem ist, der Leben erfunden hat.“


Eine Astrobiologie-Strategie zur Erforschung des Mars (2007)

Leben, wie wir es kennen (d. h. terranisches Leben, wie in Kapitel 1 diskutiert) basiert auf organischer Chemie und besteht aus kohlenstoffhaltigen Verbindungen. Diese organischen Materialien sind in der Erdkruste allgegenwärtig und bilden eine umfangreiche chemische und isotopische Aufzeichnung des vergangenen Lebens, die weit über das hinausgeht, was durch sichtbare Fossilien aufgezeichnet wird. 1 Die Allgegenwart von Kohle, organischem Schwarzschiefer und Erdölkohlenwasserstoffen zum Beispiel ist eine Manifestation der Lebensaktivitäten, die sich tief in die geologischen Aufzeichnungen erstreckt und zur Beobachtung vergangener biologischer Aktivitäten und Ereignisse verwendet werden kann. 2 Tatsächlich ist biogene organische Substanz so allgegenwärtig und in ihrer Fülle überwältigend, dass es äußerst schwierig ist, organische Verbindungen und organische Substanzen eindeutig nichtbiologischer Herkunft zu identifizieren. Die bemerkenswerten Ausnahmen sind organische Verbindungen in Meteoriten und Kunststoffen. 3

Die Erfahrung mit Studien an terrestrischen Materialien legt nahe, dass die Analyse der Kohlenstoffchemie unter allen verfügbaren Techniken zur Erkennung von Leben die erste unter Gleichen ist. Bildgebung und andere Techniken zur Erkennung von Leben sind wichtig und werden immer ein wesentlicher Bestandteil der planetaren Erforschung sein, aber nur wenige würden behaupten, dass eine einzelne Methode einen robusteren Weg bietet, außerirdisches Leben zu finden als die organische Analyse. Dementsprechend liegt der Schwerpunkt hier auf chemischen Methoden zum Nachweis von Leben. Die organische Analyse allein reicht jedoch nicht aus, um Leben zu erkennen. Die Ergebnisse eines Ensembles aller relevanten Methoden, kombiniert mit Überlegungen zur geologischen und ökologischen Plausibilität, werden wahrscheinlich den besten Beweis für das Vorhandensein oder Fehlen von Leben in einer Probe liefern.

Obwohl alle angenommenen Eigenschaften hypothetischer Lebensformen des Mars, die in Kapitel 1 diskutiert wurden, die gesamte Suche nach Biosignaturen beeinflussen und leiten können, wird sich die Annahme über die Schlüsselrolle, die der organischen Chemie wahrscheinlich zukommt, als besonders wichtig erweisen. Diese Annahme impliziert, dass Marsorganismen eine breite Palette von kleinen Molekülen und organischen Polymeren produzieren und verwenden würden, die in ihrem intakten oder fragmentarischen Zustand als chemische Biosignaturen dienen könnten. Um dieses Wissen jedoch für Fernerkundungsexperimente auf dem Mars oder anderen Planetenkörpern anzuwenden, müssen Astrobologen zuverlässig zwischen biologischen Molekülen und solchen nichtbiologischen Ursprungs unterscheiden. Die folgende Diskussion identifiziert spezifische Merkmale, die abiotische Verbindungen von Verbindungen oder Mustern unterscheiden, die vom heutigen Leben auf der Erde produziert werden. Um den geozentrischen Fokus der Vergangenheit anzusprechen, wird die Diskussion

betrachtet einige generische Merkmale, die nicht biologisch generiert werden könnten und die die Grundlage für einen soliden Ansatz zur Erkennung von außerirdischem Leben bilden würden.

ABIOTISCHE CHEMIE

Die abiotische Chemie, sowohl organische als auch anorganische, liefert wichtige Informationen über die Wege, die zur Entstehung des Lebens geführt haben könnten. Leider gibt es in Ursprungsszenarien keinen Konsens über die Synthese organischer Stoffe auf der frühen Erde oder anderswo, und Astrobiologen können daher nicht nach einer bestimmten Chemie suchen. Zu den Modellen, die als möglicherweise relevant für die Entstehung des Lebens vorgeschlagen werden, gehören atmosphärische elektrische Entladungen, wie von Miller und Urey vorgeschlagen, 4 die nachweislich eine Reihe organischer Verbindungen, einschließlich Aminosäuren, aus Mischungen von Methan, Ammoniak und Wasser synthetisieren . Entladungsexperimente liefern nur wenige organische Verbindungen, wenn sie in oxidierten Gasgemischen aus Kohlendioxid durchgeführt werden, von denen angenommen wird, dass sie auf dem frühen Mars vorherrschten. Weitere Prozesse, die zum Inventar organischer Verbindungen auf dem frühen Mars beigetragen haben könnten, sind solche, die mit den vorübergehenden Auswirkungen von Bolideneinschlägen 5 verbunden sind, und, was noch wichtiger ist, eine Vielzahl von mineralkatalysierten chemischen Reaktionen, einschließlich Wasser-Gesteins-Reaktionen (z. B. Serpentinisierung) und Strecker, Fischer-Tropsch und FeS-getriebene organische Synthese. 6 Wasser-Gesteins-Reaktionen produzieren große Mengen an Wasserstoff, der zur Bildung von Kohlenwasserstoffen unter der Oberfläche aus Kohlendioxid führen könnte und auch Stickstoff zu Ammoniak reduziert, 7 die beide auf Planetenoberflächen gelangen könnten. Die Strecker-Synthese ist die Reaktion von Ammoniak, Blausäure und Aldehyden zu Aminosäuren und verwandten Produkten. Fischer-Tropsch-Chemie ist die mineralkatalysierte Hochtemperaturreaktion von Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen. Die FeS-getriebene organische Synthese, erstmals von Wächtershäuser vorgeschlagen, 8 , 9 wurde experimentell nur für eine relativ begrenzte Reihe von Synthesen demonstriert.

Es ist sicher anzunehmen, dass organische Verbindungen, die zum präbiotischen Potenzial des Planeten beigetragen haben könnten, an anderer Stelle im Sonnensystem oder im interstellaren Raum synthetisiert und dann über kohlenstoffhaltige Chondrite und interplanetare Staubpartikel zur Marsoberfläche transportiert wurden. Da es keinen Konsens über die Vorgeschichte präbiotischer Prozesse auf dem Mars gibt, ist es konstruktiver, zunächst die Verfügbarkeit der Elemente zu betrachten, die organisches Material bilden.

Kohlenstoff. C kommt als gasförmiges Kohlendioxid in der Marsatmosphäre, als Kohlendioxideis und als Karbonatminerale vor. Karbonate wurden in geringen Mengen in Mars-Meteoriten gefunden, wurden jedoch nicht in signifikanten Mengen durch orbitale Fernerkundungstechniken oder in chemischen Analysen des Mars-Regoliths durch Lander nachgewiesen.

Wasserstoff. H liegt als Wassereis und -dampf und in hydratisierten Mineralien vor und kann in der Kruste als flüssiges Wasser vorhanden sein.Die hohen D/H-Verhältnisse des Marswassers zeigen, dass der Mars einen Bruchteil seines Wassers aus der oberen Atmosphäre an den Weltraum verloren hat. Wegen des niedrigen atmosphärischen Drucks ist flüssiges Wasser an der Oberfläche des modernen Mars nicht stabil. Es wird angenommen, dass die polaren Eiskappen erhebliche Mengen an Wassereis enthalten, und das Gammastrahlen-Spektrometer der Raumsonde Mars Odyssey hat erhebliche Mengen an unterirdischem Wasserstoff, vermutlich in Form von Wassereis, nachgewiesen. 10 Somit hätte der Überfluss an Wasserstoff das Leben auf dem Mars zu keinem Zeitpunkt seiner Geschichte behindert.

Stickstoff. N wird aufgrund seiner Flüchtigkeit und Stabilität von den inneren Planeten schlecht zurückgehalten, da N2 und auch auf die relative Instabilität und Löslichkeit seiner nichtflüchtigen Formen. Derzeit sind 2,7 Prozent der Marsatmosphäre Stickstoff. Obwohl Stickstoff für das Leben von entscheidender Bedeutung ist, kann er auf dem Mars selten sein. 11 Das beobachtete Verhältnis von 15 N/ 14 N deutet darauf hin, dass ein großer Teil des Stickstoffinventars des Planeten im Weltraum verloren gegangen ist. Noch keine Messungen haben Stickstoff identifiziert, der in Oberflächen- oder unterirdischen Mineralien gespeichert ist.

Sauerstoff. O ist in H . vorhanden2O und CO2, in Oxiden und Sulfatmineralien auf der stark oxidierten Oberfläche und in Silikaten und anderen Mineralien innerhalb der Kruste.

Phosphor. Phosphatmineralien sind in Meteoriten tatsächlich häufiger vorhanden als in den meisten magmatischen Gesteinen der Erde. Flüchtige Phosphorverbindungen (Phosphorpentoxid und Phosphin) sind selten, was Phosphatmineralien als Phosphorquellen für Organismen wertvoller macht als andere biotische Elemente mit üblichen flüchtigen Formen.

Schwefel. S kommt als Sulfate an der Marsoberfläche sehr häufig vor, und Sulfide sind häufige Begleitmineralien in Marsmeteoriten und vermutlich in der Marskruste. Isotopenmessungen legen nahe, dass auch in der Marsatmosphäre Schwefelspezies vorhanden sind. 12

Andere Metalle. Metallionen, wie sie von biologischen Systemen benötigt werden – Mg, Ca, Na, K und Übergangselemente – sind in Gesteinen der Marsoberfläche und vermutlich auch in unterirdischen Gesteinen reichlich vorhanden.

TERRAN-BIOSIGNATUREN UND POTENTIALE MARTIAN-BIOSIGNATUREN

Molekulare Biosignaturen

Die Kohlenstoffchemie terranischer Organismen ist gut verstanden. Forscher haben detaillierte Kenntnisse über die Stoffwechsel- und Fortpflanzungsmaschinerie vieler lebender Organismen und können die Restchemikalien noch lange nach Ablauf des Lebens erkennen. Die Chemie bietet viele Werkzeuge, um vorhandenes und fossiles kohlenstoffbasiertes Leben auf der Erde und möglicherweise im gesamten Universum zu identifizieren.

Auf der grundlegendsten Ebene können Forscher die elementare Zusammensetzung von auf dem Mars erhaltenem organischem Material oder in zurückgegebenen Marsproben als Indikator für die Biogenität untersuchen. Auf der Erde bestehen alle Organismen im Wesentlichen aus den sechs Elementen C, H, N, O, P und S, deren Häufigkeiten oben und in Kapitel 2 diskutiert werden. Ihre Proportionen variieren zwischen Organismen und Ökosystemen. 13 Mechanismen und Pfade, die an der Konservierung beteiligt sind, können diese Verhältnisse ändern, zum Beispiel nehmen N und P während der Fossilisation signifikant ab. Nichtsdestotrotz würde die Entdeckung in einer Marssedimentprobe von organischem Material mit signifikanten Häufigkeiten von N, O, P und S auf eine Ähnlichkeit mit biologischem Material auf der Erde hinweisen. Die relative Knappheit von N (siehe vorheriger Abschnitt) in Kombination mit seiner Schlüsselrolle in biologischen Prozessen legt nahe, dass organische Stickstoffverbindungen eine wichtige potenzielle Biosignatur darstellen. 14

Organische Geochemiker haben den Begriff &ldquobiologische Markerverbindung&rdquo oder &ldquobiomarker&rdquo geprägt, um einzelne organische Verbindungen zu beschreiben, die als molekulare Biosignaturen dienen. 15 &ndash 17 Biomarker umfassen ein Spektrum von Biomolekülen, von denen, die in lebenden Systemen vorhanden sind (Biomarker für bestehendes Leben), strukturell verwandte fossile Derivate, die in Sedimenten konserviert wurden (Biomarker für vergangenes Leben) oder komplexe Chemikalien mit generischen Merkmalen der Biologie, für die jedoch kein Vorläuferorganismus bekannt ist (manchmal auch als Orphan-Biomarker bezeichnet). Der letzte Satz könnte Moleküle enthalten, die von unerkanntem terranischen Leben (gegenwärtig oder vergangen) oder außerirdischem Leben stammen.

Biomoleküle weisen im Allgemeinen eine große Vielfalt chemischer Strukturen auf. Die eindeutige Identifizierung von etwas so chemisch Komplexem und Biologiespezifischem wie DNA, einem Protein, einem Phospholipid, einem Steroid oder sogar einer ausgewählten Gruppe kleiner Moleküle wäre jedoch als erfolgreiches Experiment zum Nachweis von Leben schwer zu widerlegen. Ein solcher Satz ausgewählter kleiner Moleküle könnte einige der 20 Proteinaminosäuren in großem Überschuss gegenüber ihren Nichtprotein-Gegenstücken, einige Zucker oder eine ausgewählte Gruppe von Fettsäuren enthalten, wie sie in den polaren Lipiden heutiger Organismen gefunden werden können. Während Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Zwischenmetaboliten essentielle Bestandteile des Lebens und offensichtlich potenzielle molekulare Biosignaturen sind, werden Verbindungen dieser Klassen schnell von anderen lebenden Systemen recycelt und sind chemisch fragil. Auf der Erde sind sie nicht für ihre Fähigkeit bekannt, über geologische Zeitskalen intakt zu überleben.

Lipide und strukturelle Biopolymere sind biologisch essentielle Verbindungsklassen, die für ihre Stabilität unter rauen Umweltbedingungen bekannt sind. 18 Kohlenwasserstoffe zum Beispiel sind eine Klasse von Lipiden, von denen bekannt ist, dass sie auf der Erde über Zeitskalen von Milliarden Jahren stabil sind. 19 , 20 Darüber hinaus können ihre chemischen Strukturen für die Biologie ebenso diagnostisch sein wie die von Aminosäuren oder anderen Biomolekülen. Thermodynamische Argumente deuten darauf hin, dass die niedrigeren Temperaturen auf dem Mars zur Erhaltung von Kohlenwasserstoffen beitragen würden. Der spezifische empirische Beweis dafür stammt aus Beobachtungen von Erdölvorkommen auf der Erde: Hochtemperaturlagerstätten zeigen eine verbesserte Kohlenwasserstoffspaltung (d. h. mehr Kohlenwasserstoffe in Gas- und Benzinqualität) im Vergleich zu gleichwertigen Niedertemperaturlagerstätten.

Mehrere wichtige molekulare Biosignaturen resultieren aus der Neigung von Molekülen, die nur wenige Kohlenstoffatome enthalten, in unterschiedlichen chemischen und strukturellen Konfigurationen zu existieren, die als Isomere bekannt sind. Anders ausgedrückt sind Isomere Moleküle mit der gleichen Anzahl von Atomen jedes Elements (d. h. ihre chemischen Formeln sind die gleichen), die jedoch unterschiedliche Verbindungen zwischen und/oder räumliche Anordnungen ihrer konstituierenden Atome aufweisen. Im einfachsten Fall können Isomere derselben Verbindung chemisch identisch sein, sich jedoch in ihrer Fähigkeit unterscheiden, polarisiertes Licht zu rotieren (z. B. die Chiralität von Aminosäuren, wie in Kasten 3.1 beschrieben). In komplexeren Beispielen sind die Konnektivität und

räumliche Anordnungen von Atomen in organischen Molekülen könnten zu Verbindungen mit sehr unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften führen (z. B. die in den Kasten 3.2 bzw. 3.3 beschriebenen Diastereoisomere und Strukturisomere). Alle diese Eigenschaften können eindeutig auf biologische Ursprünge hinweisen, da lebende Systeme häufig nur eines der zahlreichen Isomere verwenden, die für ein bestimmtes Molekül existieren können. 21 , 22

Ein weiterer wichtiger Satz molekularer Biosignaturen kann basierend auf der Beobachtung identifiziert werden, dass alle bekannten Organismen eine universelle Untermenge kleiner Metaboliten als generische Bausteine ​​für den Aufbau von Biomasse und komplexeren Biomolekülen verwenden. 23 Die 20 Aminosäuren von Proteinen, die vier Nukleotide der DNA und der Acetatvorläufer der meisten Lipide sind Paradebeispiele für generische Bausteine. Diese einfache Tatsache, die für das Leben auf der Erde so grundlegend ist, führt zu Mustern in den Molekülen des Lebens und in den molekularen Überresten des vergangenen Lebens. Dies steht im krassen Gegensatz zu organischen Verbindungen, die in abiotischen Prozessen hergestellt werden, deren Strukturen und Verteilungen deutlich unterschiedliche Muster aufweisen, die eher thermodynamische Kontrollen widerspiegeln. Für jede Klasse organischer Verbindungen führt die Biosynthese zu wiederkehrenden Mustern, die für organische Chemiker leicht erkennbar sind. Erkennung bestimmter Muster (z. B. Biomoleküle mit einer Präferenz für gerade oder ungerade Anzahl von Kohlenstoffatomen, wie in Kasten 3.4) und wiederkehrender Themen (z. B. Familien verwandter Moleküle mit einer begrenzten Untermenge aller möglichen Anzahlen von Kohlenstoffatomen, wie in Kasten 3.5 beschrieben) in kleinen bis mittelgroßen organischen Molekülen könnte zur Validierung von Biosignaturen sowohl für terranisches als auch möglicherweise nichtterranisches Leben führen.

Zusammengenommen haben diese verschiedenen chemischen Eigenschaften die Forscher dazu veranlasst, die folgenden generischen molekularen Biosignaturen für kohlenstoffbasiertes Leben zu identifizieren:

Diastereoisomere Präferenz (siehe Kasten 3.2),

Strukturisomerpräferenz (siehe Kasten 3.3),

Sich wiederholende strukturelle Untereinheiten oder Atomverhältnisse (siehe Kasten 3.4) und

Ungleichmäßige Verteilungsmuster oder Cluster strukturell verwandter Verbindungen (siehe Kasten 3.5).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jede Familie organischer Moleküle, die dem irdischen Leben gemeinsam sind (z. B. Lipide), wenn sie auf dem Mars entdeckt wird, wichtige biologische Marker wäre. Auf einer grundlegenderen Ebene können jedoch Muster der Kohlenstoffzahl oder begrenzte Isomerenverteilungen oder die Isotopenzusammensetzung (siehe nächster Abschnitt), die mit der Synthese aus kleinen, sich wiederholenden Vorläufermolekülen übereinstimmen, den Weg zum Nachweis von außerirdischem Leben weisen, sei es terran oder nicht-terran in seiner biologischen Architektur.

Isotope Biosignaturen

Die wichtigsten Elemente der organischen Chemie haben alle mehrere Isotope. Die Isotopenmuster dieser Elemente und zunehmend auch der Übergangsmetalle können in terranischen Proben Biosignaturen darstellen. Dies ist der Fall, da kinetisch kontrollierte Isotopenfraktionierungen in der Biologie üblich sind und gegenüber der Gleichgewichtsfraktionierung signifikant und dominant sein können. Obwohl geologische Prozesse diese Isotope fraktionieren, neigen biologische Prozesse dazu, unterschiedliche und manchmal diagnostische Effekte zu erzeugen. Beispielsweise führen Enzyme, die an der Kohlenstofffixierung, Methanogenese, Methanoxidation, Sulfatreduktion und Denitrifikation beteiligt sind, zu signifikanten Fraktionierungen zwischen Vorläufer und Produkt für Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Stickstoff. Als Biosignaturen können Abreicherungen oder Anreicherungen bestimmter Isotope aus Erwartungswerten verwendet werden. Solche Fraktionierungen können jedoch nur dann biologische Aktivität aufdecken, wenn alle verschiedenen Komponenten eines Systems für Messungen verfügbar sind und das Verhalten des offenen Systems funktioniert hat.

Es werden keine Fraktionierungen beobachtet, wenn der gesamte Vorläufer in ein Produkt umgewandelt wird, unabhängig davon, ob Gleichgewichts- oder kinetische Fraktionierungen durchgeführt werden. Damit eine isotopische Biosignatur intakt ist, müssen die Komponenten des Systems darüber hinaus ohne nachfolgende Fraktionierung durch physikalische oder chemische Prozesse intakt bleiben. Ein weit verbreiteter Mythos ist, dass eine C-Isotopen-Signatur in organischen Kohlenstoffverbindungen von &minus20&permil bis &minus80&permil unabhängig von anderen Faktoren für die Biologie diagnostisch ist. Die 13 C-Zusammensetzung in organischen Verbindungen kann nur dann eine Biosignatur sein, wenn auch die Isotopenzusammensetzung der Vorläufer-Kohlenstoffquelle bekannt ist und vor allem, wenn die Abstammung der Materialien auch mit biologischen Prozessen übereinstimmt. Diese Probleme haben biologische Interpretationen von

Eine wichtige Eigenschaft von Kohlenstoffverbindungen besteht darin, dass sich dieselben Atome auf dieselbe Weise aneinander binden können, während sie im Raum unterschiedliche Konfigurationen annehmen. Die unterschiedlichen dreidimensionalen Anordnungen organischer Moleküle mit gleichen chemischen und strukturellen Formeln können zu einer Reihe wichtiger Eigenschaften führen, die für die Untersuchung von Biomarkern relevant sind. Eine dieser Eigenschaften ist die Chiralität. Das heißt, bei einigen Molekülen sind ihre Atomkomponenten in zwei unterschiedlichen räumlichen Konfigurationen angeordnet, die Spiegelbilder voneinander sind. Sind die Spiegelbilder nicht überlagerbar, so nennt man das Molekül chiral und seine beiden Strukturformen Enantiomere (Abbildung 3.1.1).

Die überwiegende Mehrheit der biologisch gebildeten chiralen Verbindungen wird ausschließlich als das eine oder andere Enantiomer synthetisiert, zum Beispiel sind rechtshändige Zucker und linkshändige Aminosäuren in biologischen Systemen die Norm. Dieses Phänomen wird als Homochiralität bezeichnet. Einige Organismen, zum Beispiel Bakterien, können dieselbe chirale Verbindung in verschiedenen enantiomeren Formen synthetisieren. Sobald der Organismus stirbt und seine Biochemikalien in die Umwelt freigesetzt werden, kann ihre chirale Reinheit je nach relativer Stabilität der chemischen Bindungen in den Enantiomeren bestehen bleiben oder nicht. Verschiedene natürliche chemische Prozesse können zur Racemisierung führen, der Bildung von Mischungen der beiden Enantiomere. Obwohl die Racemisierung zu einem Verlust oder einer Verfälschung einer biologischen Signatur führen kann, kann die Geschwindigkeit, mit der dies geschieht, auch eine praktische Anwendung finden, beispielsweise bei der Datierung von fossilem organischem Material unter Verwendung des Grades der Aminosäureracemisierung. In Meteoriten kommen Aminosäuren mit einem leichten chiralen Überschuss vermutlich abiotischen Ursprungs vor. 1 , 2 Dennoch ist die Biologie die wahrscheinlichste Quelle für Verbindungen, die rein oder überwiegend als ein Enantiomer auftreten.

Enantiomerenüberschuss kann auf verschiedene Weise nachgewiesen werden. Chirale Verbindungen sind optisch aktiv. Das heißt, sie drehen die Ebene des polarisierten Lichts, das durch sie hindurchgeht, wenn sie in Lösung sind. Die direkte Beobachtung der optischen Aktivität ist mühsam. Der biochemische Nachweis eines Enantiomerenüberschusses ist möglich, aber die Methoden sind im Allgemeinen spezifisch für einzelne Verbindungen oder Verbindungstypen. Die am weitesten verbreiteten und empfindlichsten Techniken umfassen die indirekte Messung durch Gaschromatographie oder Gaschromatographie-Massenspektrometrie.

1 J. R. Cronin und S. Pizzarello, &ldquoEnantiomerenüberschüsse in meteoritischen Aminosäuren&rdquo Wissenschaft 275:951-955, 1997.

2 M. H. Engel und S. A. Macko, Hrsg., Prinzipien und Anwendungen der organischen Geochemie, Plenum Press, New York, 1993.

ABBILDUNG 3.1.1 Die Atome der α-Aminosäure Alanin können im dreidimensionalen Raum zwei verschiedene Konfigurationen annehmen. Die beiden Formen, L-Alanin und D-Alanin, werden Enantiomere genannt, weil sie nicht übereinander liegende Spiegelbilder voneinander sind. Abiotische Prozesse produzieren gleiche Mischungen von L- und D-Enantiomeren, aber das terranische Leben verwendet vorzugsweise die L- oder D-Form. Zum Beispiel verwenden die meisten Organismen auf der Erde ausschließlich die L-Form von α-Aminosäuren. Aus und in die Seitenebene orientierte chemische Bindungen sind als durchgezogene bzw. gestrichelte Keile dargestellt. Mit freundlicher Genehmigung von Roger E. Summons, Massachusetts Institute of Technology.

Diastereomere Präferenz

Die Diastereomerenpräferenz ist eine weitere Manifestation der Fähigkeit von Atomen in bestimmten Molekülen, unterschiedliche Orientierungen im Raum einzunehmen. Sind die beiden räumlichen Anordnungen der Atome nicht spiegelbildlich, so werden die unterschiedlichen Molekülformen als Diastereomere oder Diastereomere bezeichnet (Abbildung 3.2.1). Im Gegensatz zu Enantiomeren haben Diastereoisomere unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften und können durch Chromatographie oder andere Verfahren getrennt werden, die feine Polaritätsunterschiede ausnutzen. Einfache Zucker sind gute Beispiele für Diastereomere und je komplexer das Molekül, desto mehr Möglichkeiten gibt es, Diastereomere zu bilden. So kann beispielsweise das Steroidcholesterin (siehe Abbildung 3.2.2) in 256 verschiedenen Strukturkonfigurationen existieren, aber lebende Systeme nutzen nur eine davon. 1

1 K.E. Peters, J. M. Moldowan und C. C. Walters, Der Biomarker-Leitfaden, Cambridge University Press, 2004.

ABBILDUNG 3.2.1 Die Fähigkeit von Atomen in organischen Molekülen, mehrere Konfigurationen im dreidimensionalen Raum anzunehmen, wird durch diese drei Formen von Weinsäure demonstriert. Die Strukturen A und B sowie A und C sind überlagerte Spiegelbilder voneinander und werden daher als Diastereomere bezeichnet. Die Strukturen B und C sind nicht überlagerbare Spiegelbilder voneinander und somit Enantiomere (siehe Kasten 3.1). Mit freundlicher Genehmigung von Roger E. Summons, Massachusetts Institute of Technology.

ABBILDUNG 3.2.2 Struktur von Cholesterin mit seinen acht asymmetrischen Kohlenstoffatomen, identifiziert mit ihrer Positionsnummer. Theoretisch könnte diese Verbindung in bis zu 256 (2 8 ) möglichen Stereoisomeren existieren, und dennoch erzeugt die Biosynthese nur das dargestellte.

Kohlenstoff-, Stickstoff- oder Schwefelisotopendaten in archaischen Sedimenten, zum Beispiel, umstritten. 24 &ndash 27 Obwohl es in naher Zukunft wahrscheinlich keine eindeutigen Biosignaturen geben wird, werden Isotopenanalysen von Marssedimenten und atmosphärischen Gasen wichtig sein, um ihre Entwicklung zu erkennen und vergleichende Daten zu erstellen, wie sie es auf der Erde tun. Die Identifizierung einer Reihe unterstützender Isotopendaten in einem Reaktionsweg und seines Umweltkontexts ist der effektivste Ansatz zur Identifizierung einer isotopischen Biosignatur. Aufklärung der Isotopensystematik von

Strukturisomere

Die Neigung von Kohlenstoffverbindungen, mit mehreren Ringsystemen und Ungesättigtheiten zu existieren, bedeutet, dass die generische organische Verbindung CPhQnRÖSPTSdu, kann eine enorme Vielfalt möglicher Strukturen annehmen, die als Strukturisomere bezeichnet werden. 1 Trotz des Potenzials für Vielfalt beobachten Forscher, dass natürlich synthetisierte Biochemikalien in Muster fallen und die Zahl der bekannten Verbindungen nur eine kleine Untergruppe dessen ist, was chemisch machbar ist. Darüber hinaus kann das Biomolekül die thermodynamisch am wenigsten begünstigte Struktur innerhalb einer Reihe möglicher Isomere sein, wenn dieser Aspekt seine funktionelle Kapazität verbessert.

Strukturisomere lassen sich leicht durch Chromatographie trennen. In vielen, aber nicht allen Fällen sind auch ihre Massenspektren charakteristisch. Wie bei anderen Formen der Isomerie bieten kombinatorische Instrumente wie Gaschromatographen-Massenspektrometer und Flüssigkeitschromatographen-Massenspektrometer die empfindlichsten und diagnostischsten Werkzeuge für die Spurenanalyse.

1 EL Eliel, S. H. Wilen und L. N. Mander, Stereochemie organischer Verbindungen, Wiley, New York, 1994.

Der C-Zyklus auf der Erde ist seit mehr als 50 Jahren im Gange, und vieles bleibt noch zu verstehen. 28, 29 Eine zusätzliche Komplikation für Marsstudien ist der unbekannte Grad, in dem nichtbiologische atmosphärische Prozesse Isotope fraktionieren.

Ein Beispiel für einen Isotopen-Biomarker, der bei der Suche nach Leben auf dem Mars verwendet werden könnte, ist das 18 O/16 O-Verhältnis in Phosphaten. 30 Phosphor in Form von Phosphaten (PO4 3&ndash ) wird in genetischem Material und Zellmembranen sowie als Cofaktor und energietransportierendes Molekül in der terranischen Biologie verwendet. Auf der Erde die ultimative Quelle für PO4 3&ndash ist Apatit, das gelöst, biologisch verarbeitet und als verschiedene sedimentäre PO . abgelagert wird4 3– Phasen und als biogene Calciumphosphat-Lagerstätten (Phosphorite). Biologisch verarbeitetes PO4 3&ndash auf der Erde hat eine starke biotische O-Isotopen-Signatur, die sich stark von den abiotischen Apatit-Basiswerten entwickelt hat. Auf dem Mars könnte die Entwicklung der 18 O/ 16 O-Verhältnisse in Phosphaten ausgehend von dieser abiotischen Basislinie als Biomarker verwendet werden. Darüber hinaus ist das 18 O/ 16 O-Verhältnis von PO4 3&ndash zeichnet Temperatur- und Hochtemperatur-Austauschreaktionen mit Wasser auf und macht auch PO4 3&ndash ein potenzieller Indikator für vergangene hydrothermale Aktivität auf dem Mars. 31

Ein weiteres Beispiel für einen Isotopeneffekt ist die Tendenz in biologischen Prozessen, dass große Moleküle durch wiederholte Addition von Untereinheiten mit zwei oder fünf Kohlenstoffatomen synthetisiert werden (siehe Kasten 3.4). Die Lipidbausteine ​​Acetat (C2) und Isopentenylpyrolphosphat (C5) sind beispielsweise isotopeninhomogen. Acetat ist eines der besten Beispiele, da es sehr signifikante Unterschiede im 13 C-Gehalt seiner Methyl- und Carboxylkohlenstoffe aufweist. 32 Die offensichtlichsten Konsequenzen sind die Isotopenordnung in Fettsäuren und ein großer Isotopenunterschied zwischen acetogenen und polyisoprenoiden Lipiden. In einem einzelnen Organismus hängen die Isotopenunterschiede zwischen acetogenen und polyisoprenoiden Lipiden davon ab, wie viele der polyisoprenoiden Kohlenstoffatome aus dem Acetat- bzw. Kohlenhydratstoffwechsel stammen. 33

Morphologische Biosignaturen

Morphologische Biosignaturen stellen die Klasse von Objekten dar, die aufgrund ihrer Größe, Formverteilung und Herkunft als Hinweis auf Leben interpretiert werden können. Interessante Merkmale treten sowohl im makroskopischen (z. B. Stromatolithen und mikrobiell induzierten Sedimentstrukturen) als auch im mikroskopischen (z. B. Mikrofossilien) Maßstab auf. Wenn sie auf dem Mars entdeckt würden, wären morphologische Merkmale im Makromaßstab wie Stromatolithen, obwohl sie als definitiver Indikator für Biogenität umstritten sind, sehr wünschenswerte Ziele für weitere Untersuchungen und/oder Probenrückgaben. 35 &ndash 37

Untereinheiten und Bausteine ​​komplexer organischer Moleküle

Praktisch alle Biomoleküle sind aus einer begrenzten Anzahl von generischen Untereinheiten oder Bausteinen aufgebaut, die bekanntesten Beispiele sind Proteine ​​und Nukleinsäuren. Lipide, die aus nur zwei Grundbausteinen bestehen, sind Polymere von Acetat- oder Isopentenyldiphosphat-Vorstufen. Den Endprodukten fehlt eine hydrolysierbare Funktionalität (z. B. Peptidbindungen) an der Stelle, an der sich Untereinheiten verbinden, und im Gegensatz zu anderen Proteinen und Nukleinsäuren können Lipide nicht depolymerisiert werden.

Ein klassisches Beispiel für Lipide sind solche, die in Membranlipid-Doppelschichten von Bakterien und Eukarya vorkommen und aus zu Glycerin veresterten Fettsäuren bestehen. Die gebräuchlichsten Fettsäuren sind reine Acetatprodukte und haben daher gerade Kohlenstoffzahlen (z. B. C14, C16, C18, und C20). Mitglieder mit ungerader Kohlenstoffnummer, die im Allgemeinen aus einem Nicht-Acetyl-Starter synthetisiert werden, existieren, sind jedoch weniger häufig. Die Verlängerung der Fettsäurekettenlänge erfolgt durch Zugabe weiterer Acetateinheiten. Abbruch- und Modifizierungsreaktionen wie Entsättigung, Reduktion oder Decarboxylierung ergeben übliche Produktreihen mit mittlerem Molekulargewicht wie Pflanzen- und Algenwachse aus geradzahligen Alkoholen (z. B. C26, C28, C30, C32) und ungeradzahlige Kohlenwasserstoffe (z. B. C25, C27, C29, C31).

Eine zusätzliche Veranschaulichung des Baukastenprinzips zeigen die Terpenoide. Diese Polymere von &Delta-3-Isopentenyldiphosphat haben etwas komplexere Ursprünge und viel komplexere Strukturen (Abbildung 3.4.1). Als Ergebnis der Isoprenoid-Biosynthese und ihrer Evolution im Laufe der geologischen Zeit enthält das terranische Leben eine enorme Anzahl komplexer Moleküle, die durch ihre C5 die Architektur. Die Vielfalt der Isoprenoid-Biosynthesewege, ihre Verteilung über verschiedene phylogenetische Gruppen, ihr Bedarf oder sonstiger Bedarf an molekularem Sauerstoff und die Arten der post-synthetischen Modifikation werden im Allgemeinen als starke Biosignatur evolutionären Ursprungs angesehen. Zum Beispiel sind die Moleküle, die aus dem in Abbildung 3.4.1 gezeigten Stoffwechselweg resultieren, hochgradig diagnostisch für die Biosynthese, da sie einzeln viele Merkmale der Biosynthese aufweisen (z. B. Kohlenstoffzahl, Chiralität und Untergruppen von Isomeren).

Crocetan, 2,6,10-Trimethyl-7-(3-methylbutyl)-dodecan, Squalen und Biphytan sind unregelmäßig verzweigte Verbindungen, während Phytan, Labdan und Kauran regelmäßig sind und aus vier Kopf-Schwanz-verknüpften Isopren-Einheiten aufgebaut sind. Diese Verbindungen veranschaulichen auch, wie unterschiedliche Strukturen für spezifische Physiologien (Phytol und Farnesol für die Photosynthese, Phytan für verschiedene Archaeen, Crocetan für Methanotrophie) oder spezifische Organismen (2,6,10-Trimethyl-7-(3-methylbutyl)-dodecan für Kieselalgen Biphytan für Crenarchaeota labdane und Kauran für Koniferen).

1 G. Ourisson und P. Albrecht, &ldquoHopanoids. 1. Geohopanoide: Die reichsten Naturprodukte der Erde?,&rdquo Konten der chemischen Forschung 25:398-402, 1992.

Kameras und Spektralbildkameras früherer, fortlaufender und geplanter Missionen zum Nachweis von Leben zum Mars sind in der Lage, Strukturen und Objekte zu identifizieren, die von makroskopischen bis hin zu winzigen Objekten reichen, die auf der Erde als sichtbare Signaturen für vergangene oder gegenwärtige biologische Aktivität gelten. Solche Objekte und Strukturen umfassen intakte Mikroben, Metazoen und Metaphyten, Stromatolithen, Mikrobenmatten und andere großräumige Strukturen, die aus Zellaggregaten bestehen, sowie Bestandteile von mehrzelligen Organismen wie Zysten, Pollen, Embryonen, Organe usw . Auf der Erde sind diese Objekte in Oberflächenumgebungen und im tiefen Untergrund allgegenwärtig und lassen keinen Zweifel daran, wie reichlich und hartnäckig Leben ist. Forscher können in den Sedimenten der Erde bis zu einem gewissen Grad auch ein reiches fossiles Leben mit einem Alter von mehr als 2 Milliarden Jahren visuell identifizieren. Bisher wurden auf dem Mars oder in Marsmeteoriten keine derartigen sichtbaren &ldquobiologischen&rdquo-Objekte überzeugend identifiziert. Wenn Leben auf dem Mars oder einem anderen existiert oder in der Vergangenheit existierte

ABBILDUNG 3.4.1 Strukturen einiger regelmäßiger, unregelmäßiger und zyklischer C2O (Diterpenoid) und C3O (Triterpenopid) und C4O (tetraterpenoide) Kohlenwasserstoffe, die in Sedimenten identifiziert wurden und eine Vielzahl von Biosynthesemustern basierend auf sich wiederholenden Fünf-Kohlenstoff-Untereinheiten veranschaulichen (nach J. M. Hayes, &ldquoFractionation of Carbon and Hydrogen Isotopes in Biosynthetic Processes,&rdquo Rezensionen in Mineralogie und Geochemie 43: 225-277, 2001).

planetarische Körper, die Beweise sind nicht vorgelegt worden. Die Suche nach Leben auf dem Mars spiegelt in vielerlei Hinsicht die Suche nach dem frühesten Leben auf der Erde wider und steht vor ähnlichen Hindernissen. Bei dem Versuch, die Geschichte des terranischen Lebens bis in die Tiefen der Zeit zu rekonstruieren, sehen sich Forscher mit dem Problem einer Aufzeichnung konfrontiert, die durch die geochemischen und geologischen Prozesse, die die Erde ständig wieder auftauchen und die Gesteinsaufzeichnungen verändern, immer kryptischer wird.

Schlechte Erhaltung und Unklarheit darüber, was eine Biosignatur ausmacht, haben die Suche nach sichtbaren Beweisen für frühes mikrobielles Leben auf der Erde 38 &ndash 45 und insbesondere im Marsmeteoriten ALH 84001 durcheinander gebracht. 46 Verwandte Berichte und einige der daraus resultierenden Kontroversen lehren die Forscher, dass es schwierig ist, auf der Grundlage der Morphologie einen Rückschluss auf die Biogenität zu ziehen. Wenn das beobachtete Merkmal nachweislich syngenetisch mit dem Wirtsgestein ist und eine begrenzte Größenverteilung (Länge und Breite) aufweist, zeigt es Anzeichen für zelluläres

Cluster und ungleichmäßige Verteilungsmuster strukturell verwandter Verbindungen

Die Biosynthese großer organischer Moleküle aus kleineren Molekülen, wie in Kasten 3.4 diskutiert, führt zu weitreichenderen Konsequenzen, deren Nachweis im Prinzip als Biomarker genutzt werden kann. Die Synthese von Lipiden durch Organismen, zum Beispiel aus C2 oder C5 Bausteine ​​bilden Cluster von Verbindungen, die sich durch n C2 (acetogene Lipide) oder n C5 (Polyisoprenoide) Einheiten, wobei n ist eine positive ganze Zahl. In einer typischen Probe terrestrischer Lipide finden die Forscher beispielsweise ein Übergewicht von Fettsäuren mit geraden Kohlenstoffzahlen und Kohlenwasserstoffen mit ungerader Kohlenstoffzahl in Blattwachs C15, C20, und C25 azyklische Isoprenoide C20 und C30 zyklische Terpenoide einschließlich Steroide und C40 Carotinoide. Untergruppen dieser Merkmale sind sogar in stark veränderten oder verarbeiteten Materialien wie Erdöl identifizierbar, wo n-Alkane können Präferenzen für ungerade-über-gerade oder gerade-über-ungerade Kohlenstoffzahlen aufweisen. Cluster von Kohlenstoffzahlen haben das Potenzial, Biosignaturen zu sein, weil sie die Biosynthese aus universellen Bausteinen anzeigen.

Neben den offensichtlichen Mustern verwandter Verbindungen, die sich um zwei oder fünf Kohlenstoffatome unterscheiden, ist die Wirkung der wiederholten Zugabe von C2 oder C5 Untereinheiten führt zu einer weiteren wichtigen Biosignatur. Funktionelle Biochemikalien, wie Lipide, neigen dazu, Clusterbildungen von verwandten Verbindungen in diskreten Molekulargewichtsbereichen zu zeigen. Beispiele für zu sehende Cluster sind die folgenden:

C15-C17 und C25-C33, bzw. für Kohlenwasserstoffe, die beispielsweise mit Bakterien und Pflanzen in Verbindung stehen

C26-C30 für die mit den meisten Eukaryoten assoziierten Sterole

C30 für die mit Pflanzen und Bakterien assoziierten Triterpenoide und

C20, C25, C30, und C40 für mit Archaeen assoziierte Lipide.

Ein zusätzlicher Biomarker im Zusammenhang mit Clustering und Isotopenfraktionierung wird im Unterabschnitt &ldquoIsotopische Biosignaturen beschrieben.&rdquo

Ein Faktor, der die Verwendung dieser Biosignaturen erschwert, ist die Tatsache, dass die meisten Proben biologisch erzeugter organischer Substanz von Organismen stammen, die in komplexen Ökosystemen existieren. Die flüchtigen Bestandteile einer mikrobiellen Matte werden beispielsweise Verbindungsklassen mit Kohlenstoffzahlen zeigen, die grob wie oben und in Kasten 3.4 beschrieben verteilt sind. In ähnlicher Weise weisen die Lipide in Biofilmen aus hydrothermalen Quellen eine ungerade Kohlenstoffzahlverteilung auf. 1 Die geologischen Aufzeichnungen sind mit zusätzlichen Beispielen gespickt. 2 Außerdem ist die C25-C30 Fraktion könnte mehr Material enthalten als die C15-C20 Fraktion. Diese „Klumpigkeit&rdquo steht in krassem Gegensatz zu dem, was in abiotisch hergestellten Molekülanordnungen beobachtet wird. 3 , 4 Der Fischer-Tropsch-Prozess, der beispielsweise zur Synthese von Kohlenwasserstoffen verwendet wird, erzeugt Moleküle mit einer exponentiellen Größenverteilung mit C1 > C2 > C3 > C4, und so weiter, wobei C . auf fast Null abfällt30. In ähnlicher Weise weisen die in Meteoriten vorkommenden Aminosäuren mehr C . auf1 als C2 als C3 als C4 und so weiter. 5 - 8

1 L. L. Jahnke, W. Eder, R. Huber, J. M. Hope, K. U. Hinrichs, J. M. Hayes, D. J. Des Marais, S. L. Cady und R. E. Vorladungen, &ldquoSignatur-Lipide und stabile Kohlenstoffisotopenanalysen von hyperthermophilen Gemeinschaften von Octopus Spring im Vergleich zu denen von Aquificales-Vertretern&rdquo Angewandte und Umweltmikrobiologie 67:5179-5189, 2001.

2 K.E. Peters, J. M. Moldowan und C. C. Walters, Der Biomarker-Leitfaden, Cambridge University Press, Cambridge, Großbritannien, 2004.

3 Siehe beispielsweise B. Sherwood Lollar, T. D. Westgate, J. A. Ward, G. F. Slater und G. Lacrampe-Couloume, &ldquoAbiogene Bildung von Alkanen in der Erdkruste als Nebenquelle für globale Kohlenwasserstoffreservoirs&rdquo Natur 416:522-524, 2002.

4 Siehe beispielsweise M. Allen, B. Sherwood-Lollar, B. Runnegar, D.Z. Oehler, J. R. Lyons, C. E. Manning und M. E. Summers, &bdquoIst Mars Alive?&rdquo Eos 87:433 und 439, 2006.

5 M.A. Sephton, &ldquoOrganische Verbindungen in kohlenstoffhaltigen Meteoriten&rdquo Naturprodukte-Berichte 19:292-311, 2002.

6 M. A. Sephton, C. T. Pillinger und I. Gilmour, &ldquoAromatic Moieties in Meteoritic Macromolecular Materials: Analysis by Hydrous Pyrolysis and 13 C of Individual Compounds&rdquo Geochimica und Cosmochimica Acta 64:321-328, 2000.

7 M. A. Sephton, C. T. Pillinger und I. Gilmour &ldquoPyrolyse-Gaschromatographie&ndashIsotopenverhältnis-Massenspektrometrie von makromolekularem Material in Meteoriten&rdquo Planetare Weltraumwissenschaft 47:181-187, 2001.

8 M. A. Sephton, G. D. Love, J. S. Watson, A. B. Verchovsky, I. P. Wright, C. E. Snape und I. Gilmour, &ldquoHydropyrolyse unlöslicher kohlenstoffhaltiger Materie im Murchison-Meteorit: Neue Einblicke in seine makromolekulare Struktur.&rdquo Geochimica et Cosmochimica Acta 68:1385-1393, 2004.

Abbau oder ist Teil einer erkennbaren Population, die in diskreten Phasen innerhalb der Proben auf der Erde auftritt, die für den Kontext der Probe relevant sind, dann sind weitere Untersuchungen gerechtfertigt. 47 Die Debatten über frühes Leben und ALH 84001 (siehe Kapitel 2) haben gezeigt, dass die Morphologie sowohl mit der Chemie als auch mit dem Kontext kombiniert werden muss, um einen eindeutigen Nachweis von Leben zu ermöglichen. Die Morphologie ist jedoch äußerst wertvoll, um interessante Ziele für die weitere Untersuchung zu erkennen, insbesondere makroskopische Strukturen wie Stromatolithen, mikrobielle Matten und andere großräumige Aggregate, die von Gemeinschaften von Mikroorganismen gebildet werden.

Mineralogische und anorganische chemische Biosignaturen

Die Mineralogie und Chemie von Erdmaterialien kann in einigen Systemen, in denen Organismen thermodynamisch mögliche Reaktionen entweder beschleunigen oder hemmen, eine Biosignatur darstellen. Darüber hinaus können Organismen die Chemie von Gesteinen, Flüssigkeiten und Gasen durch Sekretions-, Assimilations- und Elektronentransferprozesse verändern und manchmal mineralogische oder chemische Gradienten erzeugen, die sich von denen unterscheiden, die in einer abiotischen Umgebung entstehen würden. Obwohl es einige Beispiele für mineralogische Biosignaturen auf der Erde gibt, die einen biotischen Ursprung eindeutig identifizieren (z. B. Coccoliths und Diatomeen), sind diese wahrscheinlich nicht auf den Mars anwendbar. 48 Die meisten anderen Arten anorganischer chemischer Biosignaturen können nur indirekte Beweise für das Vorhandensein von Leben liefern und würden daher höchstwahrscheinlich unterstützende Beweise für andere diagnostische Kriterien darstellen. Beispiele für anorganische Biosignaturen werden unten diskutiert.

Biota kann die Identität von Phasen beeinflussen, die sich in der Gesteinsaufzeichnung manifestieren. So wandeln manche Bakterien Mackinawite in Greigit (Sulfide) um, 49 und manche Pilze fördern die Bildung von Weddellit (Ca-Oxalat) in Böden. Diese Effekte hängen mit der biologischen Fähigkeit zusammen, Mineralien auf organischen Templaten zu nukleieren, oder mit der Produktion von organischen Liganden, die Elemente solubilisieren, Wachstumsmechanismen beeinflussen oder als Salze ausfallen. Auch der Einschluss organischer Moleküle oder Mikronährstoffverunreinigungen in mineralische Niederschläge könnte ein Hinweis auf biologische Aktivität sein.

Physikalische Eigenschaften von Mineralien könnten auch indirekte, wenn auch mehrdeutige Hinweise auf biologische Prozesse liefern. Beispielsweise könnte die Größenverteilung von Niederschlägen indirekt auf einen biotischen Ursprung hindeuten, da viele mineralogische Nebenprodukte des Stoffwechsels nanokristallin sind, weil sie unter Bedingungen hoher Übersättigung gebildet werden. 50 Oberflächenätzung oder Kristallhabitus, die durch biologische Exsudate oder Biofilmbildung beeinflusst werden können, können auch indirekte Indikatoren für Biota sein. Biologische Phänomene lassen sich in manchen Fällen auch aus den Eigenschaften von Mineralaggregaten ableiten. Von möglichem Interesse für den Mars ist die Aggregationscharakteristik der von Bakterien ausgefällten Fe-Mineralien. Beispielsweise wurden sowohl die Größenverteilung als auch die Aggregation von Magnetitkristallen als Biosignaturen postuliert, 51 , 52 obwohl diese Eigenschaften auch abiotischen Prozessen zugeschrieben wurden, 53 was auf die Mehrdeutigkeit mineralogischer Eigenschaften als Biosignaturen hinweist.

Gradienten in der Konzentration von Elementen, die in Erdmaterialien aufgezeichnet wurden, können auch diagnostisch für biologische Phänomene sein. Eine bekannte Manifestation von Elementgradienten, die durch biologische Prozesse angetrieben werden, sind bestimmte Bodenhorizonte, in denen die Exsudation organischer Komplexbildner Elemente mobilisiert und Muster erzeugt, die auf das Vorhandensein von Biota hinweisen. 54 Die Bildung von Konzentrationsgradienten von Elementen im Metermaßstab in Bodenhorizonten und im Mikrometerbereich auf Mineraloberflächen oder in endolithischen Gemeinschaften könnte daher von Bedeutung sein. 55 &ndash 57 Die Assimilation von Spurenelementen in geringer Konzentration durch Mikroorganismen oder die Sequestrierung toxischer Elemente in biologisch vermittelten Niederschlägen könnte auch Verteilungen von Spurenelementen erzeugen, die das vorherige Vorhandensein von Biota in Regolith- oder Sedimentumgebungen dokumentieren.

Anomalien in der Phosphorkonzentration wurden auch als mögliche Biomarker vorgeschlagen, die bei der Suche nach Leben auf dem Mars verwendet werden könnten. 58 Phosphor als PO4 3&ndash wird in einer Vielzahl von biologischen Prozessen und Materialien verwendet. Die ultimative PO .-Quelle4 3&ndash on Earth ist magmatischer Apatit, der biologisch aufbereitet und als biogene Calciumphosphate (Phosphorite) wieder abgelagert wird. Auf der Erde, PO4 3&ndash wird unter wässrigen Bedingungen stark an Eisen- und Aluminiumoxiden und Oxyhydroxiden adsorbiert. Phosphorphasen, die in Marsböden, sedimentären Umgebungen und in Verbindung mit den reichlich vorhandenen Eisenoxiden auf dem Mars gefunden werden, könnten ein gutes Ziel bei der Suche nach Phosphor als Biosignatur sein. Darüber hinaus könnten Muster der Phosphorkonzentration verwendet werden, um die Suche nach potentiellem PO . zu leiten4 3&ndash Biosignaturen und andere Arten von Fossilien.

Basierend auf solchen Überlegungen haben vergangene und gegenwärtige Ansätze zur astrobiologischen Erforschung des Mars stark auf Instrumentenpakete gesetzt, die in der Lage sind, die chemischen Signaturen des Lebens, insbesondere Kohlenstoffverbindungen, Isotopensignaturen und verschiedene andere Stoffwechselprodukte zu erkennen. Der 2001 von der NASA Biomarker Task Force organisierte Workshop zu Biosignaturen legte umfassende Ziele für die Entwicklung eines besseren Verständnisses von Biosignaturen fest. Leider wurden die Ergebnisse der Beratungen der Arbeitsgruppen jedoch nie vollständig veröffentlicht. 59 Da sie einen wichtigen Ausgangspunkt für zukünftige Diskussionen darstellen, sind diese Ziele in Anhang C wiedergegeben.

VERWEISE

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8.2B: Mars-Biosignaturen - Biologie

Quell- und Evaporitlagerstätten gelten als zwei der vielversprechendsten Umgebungen für die Bewohnbarkeit der Vergangenheit auf dem Mars und die Erhaltung von Biosignaturen. Manitoba, Kanada, beherbergt den hypersalinen Quellkomplex East German Creek (EGC) und die Verdunstungsgipsbetten nach dem Impakt des Lake St. Martin (LSM). Der EGC-Komplex enthält mikrobielle Matten, Sedimente, Algen und Biostoffe, während endolithische Gemeinschaften in den LSM-Gipsbetten allgegenwärtig sind. Diese Gemeinschaften sind spektral hauptsächlich aufgrund des Vorhandenseins einer Chlorophyll-Absorptionsbande bei 670 nm nachweisbar, jedoch war die Robustheit dieses Merkmals unter den Bedingungen der Marsoberfläche unklar. Biologische und biologische Proben von EGC und LSM wurden bis zu 44 Tage lang Bedingungen ausgesetzt, die der Oberfläche des heutigen Mars (hoher UV-Fluss, 100 mbar, anoxisch, CO 2 -reich) ähnlich sind, und die 670-nm-Chlorophyll-Merkmale erhalten bleiben und ein roter Chlorophyllrand wurde beobachtet. Eine Abnahme der Bandtiefe des 670-nm-Bandes im Bereich von

Es ergaben sich 16 bis 80 %, wobei Korrelationen im Konservierungsgrad und der räumlichen Nähe der Proben zum Quellhügel und mineralischen Abschirmungseffekten beobachtet wurden. Die Spektren wurden auf Mars Exploration Rover (MER) Pancam und Mars Science Laboratory (MSL) Mastcam wissenschaftliche Filterbandpässe entfaltet, um die Erkennbarkeit des 670-nm-Merkmals zu untersuchen und mit üblichen Mineralmerkmalen zu vergleichen. Die mit Chlorophyll assoziierte Rotrand- und 670-nm-Merkmal kann von den Spektren von Mineralen mit den folgenden Merkmalen unterschieden werden

1000 nm, wie Hämatit und Jarosit. Die Unterscheidung von Goethit von Proben mit dem Chlorophyllmerkmal ist jedoch problematischer, und die quantitative Interpretation anhand von Bandentiefendaten unterscheidet kaum zwischen Eisenoxyhydroxiden und dem 670-nm-Chlorophyllmerkmal. Das Chlorophyll-Spektralmerkmal ist sowohl in Pancam als auch in Mastcam beobachtbar, und wir schlagen vor, dass von den vorgeschlagenen EXOMARS Pancam-Filtern der PHYLL-Filter für seine Erkennung am besten geeignet ist.


8.2B: Mars-Biosignaturen - Biologie

Auf dem Mars stellt der durch geologische Prozesse in der Tiefe erhitzte Grundwasserabfluss ein wahrscheinliches Reservoir an flüssigem Wasser im Spätstadium dar, das für biologische Aktivitäten verfügbar ist. Fotogeologische Beobachtungen der Marsoberfläche unterstützen geologisch eine relativ junge Grundwasserableitung über sprudelnde und/oder störungskontrollierte Quellen. Unser Ansatz zur Untersuchung des möglichen biologischen Potenzials solcher Reservoirs bestand darin, analoge terrestrische Quellsysteme zu charakterisieren. Unser Untersuchungsgebiet ist ein mesophiles, störungsgetriebenes Schwefelquellensystem zwischen den Verwerfungen Hayward und Calaveras in Kalifornien. Wir haben hydrogeologische Variablen, die Nährstoffverfügbarkeit für den mikrobiellen Stoffwechsel, Unterschiede in der bestehenden Gemeinschaftsstruktur und die mit diesen Variablen verbundenen jahreszeitlichen Veränderungen untersucht. Die untersuchten Quellen fällen auch Calcit aus und bilden große Hügel, die das Potenzial bieten, die Erhaltung von Biosignaturen zu bewerten. Die Geochemie und Isotopenzusammensetzung (2H/18O) von Quellwässern weisen darauf hin, dass die verschiedenen Quellwässer unterschiedliche Mischungsverhältnisse zwischen tieferem, konnatem Wasser mit flachen meteorischen Einträgen darstellen. Klonbibliotheken von 16S rDNA und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungsexperimente legen nahe, dass die Oxidation von Schwefelverbindungen durch Epsilon- und Gammaproteobakterien ein signifikanter Prozess ist, der in den Quellen auftritt, und Lipidanalysen unterstützen diese Beobachtungen. Während die untersuchten Quellen saisonale Verschiebungen in ihrer jeweiligen Geochemie durchlaufen, ruft nur die mikrobielle Gemeinschaft an einer der Quellen eine entsprechende jahreszeitliche Variation hervor. Während der Trockenzeit wechselt die Gemeinschaft in diesem Frühjahr zu einem roten, Plaque-ähnlichen Biofilm und eisenzyklische Organismen aus der Klasse der Alphaproteobakterien nehmen in ihrer relativen Häufigkeit innerhalb der Gemeinschaft signifikant zu. Eine vorläufige chemische Analyse der Calcit-Akkretionen weist auf reichlichen organischen Kohlenstoff hin und legt somit eine mögliche Aufzeichnung früherer mikrobieller Ökosysteme nahe. Laufende Untersuchungen von widerspenstigen Lipidspezies wie Bakteriohopanpolyolen (BHPs) sowohl in der vorhandenen Biologie als auch im akkretierten Calcit sind im Gange und sollen Einblicke in die taphonomischen Prozesse geben, die die Lebensfähigkeit von Lipidbiosignaturen beeinflussen. Die Ergebnisse unterstreichen die Rolle der lokalen geophysikalischen Geschichte für die Struktur und Produktivität von mikrobiellen Gemeinschaften im Frühjahr.


Astrobiologie und Ozeanwelten

Das Astrobiologieprogramm der NASA befasst sich mit drei grundlegenden Fragen: Wie beginnt und entwickelt sich Leben? Gibt es Leben jenseits der Erde und wenn ja, wie können wir es erkennen? Wie sieht die Zukunft des Lebens auf der Erde und im Universum aus? Zu unseren Forschern gehören Experten aus einer Vielzahl von Bereichen, die sich mit diesen zentralen Fragen befassen und ein umfassendes, integriertes Verständnis biologischer, geologischer, chemischer, planetarischer und kosmischer Phänomene bieten. Ein Fokus auf Ozeanwelten – Körper mit beträchtlicher, stabiler Flüssigkeit an ihrer Oberfläche oder ihrem Untergrund – erfordert zusätzliche Expertise in Bereichen wie Ozeanographie und Meeresbiologie und erschließt die Schlüsselstellen in unserem Sonnensystem und darüber hinaus, an denen das Leben am wahrscheinlichsten ist.

Die Forschung in der Gruppe Astrobiologie und Ozeanwelten umfasst ein breites Themenspektrum, darunter: Bewertung der Bewohnbarkeit der Planeten und Monde des Sonnensystems Einsatz von Morphologie, Chemie und Mineralogie zur Bewertung von Biosignaturen, insbesondere auf dem Jupitermond Europa, den Saturnmonden Enceladus und Titan und Neptuns Mond Triton Entwicklung von Instrumenten und Methoden zur Erkennung von Korrelationen von ausgestorbenem oder existierendem Leben zwischen Kohlenstoffisotopenzusammensetzungen und Mikrostrukturen und/oder Taxonomie in Mikrofossilien Bewertung der Theorien über den Ursprung des Lebens, einschließlich des alkalischen hydrothermalen Schlotmodells und Verständnis der geologischen Geschichte des Mars in Bezug auf die Bewohnbarkeit.

Darüber hinaus arbeiten wir an allen Aspekten zukünftiger Ozeanwelten und astrobiologiebasierter Missionen, von der Entwicklung langfristiger Missionskonzepte über die Arbeit an Instrumenten und Methoden zur Analyse von Roboterplattformen bis hin zur Entwicklung der Hardware für zukünftige Missionen. JPL-Forscher sind derzeit an einer Vielzahl von Missionen und Missionskonzepten beteiligt, wie dem Mars Science Laboratory (auch bekannt als Curiosity), Mars 2020, Europa Clipper und Dragonfly. Wir sind auch stark an der Planung zukünftiger Mars- und Outer Planets-Missionen beteiligt.


Zusammenfassung

Basierend auf dem Inhalt dieses Reviews und der hier behandelten Forschung schlagen wir vor, einen mikrofossilen Atlas zu erstellen, der alle bekannten Aspekte der Ökologie vulkanischer Lebensräume auf der Erde abdeckt, einschließlich weit verbreiteter Informationen über Spuren- und Körperfossilien prokaryotischer und eukaryotischer Natur. Um dies zu erreichen, benötigen wir die kombinierten Ergebnisse aller oben beschriebenen Arbeitsbereiche, einschließlich Informationen über die mikrobielle Morphologie, den Gehalt an organischen Mikrofossilien (Biomarker) und den Element- und Isotopengehalt von magmatisch bewohnten Fossilien und den dazugehörigen Biomineralien. Eine erste grobe Klassifikation wird hauptsächlich auf der Morphologie basieren, aber Biomarker und relevante Isotopenfraktionierungen werden diesem Szenario hinzugefügt, um die Klassifikation zu verbessern und sie taxonomisch robust zu machen. Eine Kombination von Biomarkern und Isotopen wird es ermöglichen, zwischen Gruppen von Mikroorganismen auf der Grundlage des Stoffwechsels zu unterscheiden, wie beispielsweise Methanogene und Methanotrophe. Die Speziesdiskriminierung wird durch das Vorhandensein und den Nachweis unterschiedlicher Lipide und δ 13 C-Werte innerhalb fossiler Mikroorganismen und/oder assoziierter Biomineralien (im Fall von δ 13 C) ermöglicht (Drake et al., 2015). Letztlich wird der Atlas der vulkanischen Mikrofossilien jedoch nach der Taxonomie klassifiziert. Grobe Unterscheidungen zwischen Prokaryoten und Eukaryoten werden ebenso möglich sein wie hoffentlich auch genauere Einteilungen bis auf Klassenebene.

Die aktuellen Nutzlasten der NASAs Mars 2020 und der ExoMars-Missionen sind in der Lage, Strukturen 㱠 μm zu analysieren, möglicherweise etwas kleiner. Daher werden beide Missionen in der Lage sein, größere biogene Strukturen aus vulkanischem Gestein anzuvisieren, wie etwa mm-große mineralisierte Pilzmyzelien oder größere Mikrostromatolithe in offenen Vesikeln.Die ExoMars-Kameras mit einer Auflösung von 8 μm/px haben eine größere Chance, kleine Merkmale und einzelne Hyphen zu identifizieren, wie in Abbildung 5B zu sehen, aber die NASA-Mission hat wiederum die Möglichkeit, Proben für später zu sammeln ex situ Untersuchung auf der Erde – eine Auflösung von 15 μm/Pixel kann daher ausreichen, um genügend Merkmale aufzulösen, um Proben mit hoher Wahrscheinlichkeit auszuwählen, die Biosignaturen enthalten. Unsere Hoffnung mit der Erstellung eines vulkanischen Mikrofossilatlas ist, dass er als Ergänzung zu etablierteren sedimentbasierten Fossilienkarten dienen kann, indem er eine solide Bewertung der mikrobiellen Vielfalt in der magmatischen ozeanischen Kruste liefert. Neben der Bereitstellung allgemeiner Richtlinien für Mikrofossil-Studien auf der Erde sehen wir den Atlas als konkrete Hilfestellung bei der Suche nach relevanten Zielorten für planetare Missionen wie die NASA-Mars-Mission 2020 und ExoMars.


8.2B: Mars-Biosignaturen - Biologie

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Feature Papers stellen die fortschrittlichste Forschung mit erheblichem Potenzial für eine große Wirkung auf diesem Gebiet dar. Feature Papers werden auf individuelle Einladung oder Empfehlung der wissenschaftlichen Herausgeber eingereicht und vor der Veröffentlichung einem Peer Review unterzogen.

Das Feature Paper kann entweder ein origineller Forschungsartikel, eine umfangreiche neue Forschungsstudie sein, die oft mehrere Techniken oder Ansätze umfasst, oder ein umfassendes Übersichtspapier mit prägnanten und präzisen Updates zu den neuesten Fortschritten auf diesem Gebiet, das die aufregendsten Fortschritte in der Wissenschaft systematisch überprüft Literatur. Diese Art von Papier gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen oder mögliche Anwendungen.

Editor’s Choice-Artikel basieren auf Empfehlungen der wissenschaftlichen Herausgeber von MDPI-Zeitschriften aus der ganzen Welt. Die Herausgeber wählen eine kleine Anzahl von kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikeln aus, die ihrer Meinung nach für Autoren besonders interessant oder in diesem Bereich wichtig sind. Ziel ist es, eine Momentaufnahme einiger der spannendsten Arbeiten zu geben, die in den verschiedenen Forschungsbereichen der Zeitschrift veröffentlicht wurden.