Weitere Lebenszeichen

Als sie 1976 die Marsoberfläche erreichten, landeten die beiden Viking-Lander der NASA mit einem sanften Aufprall. Mit einer Höhe von drei Metern, einer Länge von drei Metern und einem Gewicht von etwa 1.300 Pfund sahen diese Raumfahrzeuge – die erste US-Mission, die erfolgreich auf der Marsoberfläche landete – aus wie übergroße Pillenwanzen.

Was vor ihnen lag, war eine rostige, staubige Einöde, übersät mit Steinen unter einem bräunlich-orangenen Himmel, weit entfernt von den geschäftigen außerirdischen Metropolen, die Science-Fiction-Autoren und -Filme dargestellt hatten. Die Wissenschaftler erwarteten keine außerirdischen Städte, aber sie vermuteten, dass im Marsboden Kolonien mikrobieller Außerirdischer lauern könnten. Die Lander waren die ersten, die nach außerirdischem Leben suchten.

Beide Lander waren mit drei automatischen Instrumenten zur Erkennung von Leben ausgestattet, von denen jedes eine Probe von der Oberfläche bebrütete und die Luft darüber auf Moleküle wie Kohlendioxid untersuchte, was auf Photosynthese hindeuten könnte, oder Methan, das Mikroben bei der Verstoffwechselung der von den Landern bereitgestellten Nährstoffe produzieren könnten.

Eines der Instrumente erhielt ein positives Signal. Das markierte Freisetzungsexperiment, das radioaktiven Kohlenstoff auf seinem Weg von verdaulichem Zucker zu verdautem Kohlendioxid verfolgte, sah das verräterische Zeichen von lebenden, metabolisierenden Mikroben.

Die beiden anderen Experimente zeigten jedoch kein Signal.

Bildunterschrift: Als die Viking-Lander der NASA die Marsoberfläche abbildeten, zeigten sie ein karges Land aus Felsen und Staub.

Bildnachweis: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Diese mögliche Entdeckung löste eine Debatte aus, die bis heute andauert, wobei Befürworter darauf beharren (und neue Forschungsergebnisse darauf hindeuten), dass nur etwas Lebendiges dieses positive Signal erzeugt haben kann.

Aber wie viele in der wissenschaftlichen Gemeinschaft bleibt auch Kate Craft, eine Planetenforscherin am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, skeptisch. „

Zum einen gingen die Viking-Experimente davon aus, dass die Mikroben auf dem Mars die von uns gelieferten Nährstoffe fressen würden, was nicht unbedingt der Fall ist. Und selbst wenn dies der Fall wäre, ist es immer noch schwer, nur einer einzigen Spur zu glauben. „

Problematischer ist jedoch, dass die Wissenschaftler damals nicht wussten, dass die Marsoberfläche mit Perchlorat-Salzen bedeckt ist, Mineralien, die Chlor und Sauerstoff enthalten und, wie Experimente gezeigt haben, organische Moleküle und Mikroben zerstören können, wenn sie erhitzt werden – und dabei Chlorgase erzeugen, die die Viking-Lander in der Tat nachwiesen. Niemand wusste, dass die Salze dort vorhanden waren, bis die Phoenix-Landeeinheit der NASA sie 2008 entdeckte.

Für Craft und ihren Kollegen Chris Bradburne, Biologe und leitender Wissenschaftler am APL, haben die Viking-Missionen die enorme Herausforderung unterstrichen, vor der Wissenschaftler stehen, wenn sie definitiv sagen wollen, dass wir Leben auf einer anderen Welt gefunden haben. Es kommt auf die Art, die Sicherheit und die Wiederholbarkeit des Nachweises an. Seit den Viking-Sonden sind zahlreiche Raumfahrzeuge zum Mars zurückgekehrt und haben nach organischen Molekülen gesucht, die hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Sie werden häufig mit Leben in Verbindung gebracht, sind aber keine sicheren Indikatoren dafür.

Aber die Enthüllung über die Salze auf dem Mars hat einen noch wichtigeren, wenn auch nicht sehr inspirierenden Punkt hervorgehoben: Die Chancen, selbst mit der besten Technologie Anzeichen von Leben zu entdecken, sind wahrscheinlich gering, wenn man seine Proben nicht zuerst reinigt.

Forscher haben sich auf die Entdeckungsseite der Gleichung konzentriert, aber die Probenvorbereitung – ein früherer Schritt im Arbeitsablauf – wurde meist ignoriert. Salze sind besonders besorgniserregend, da sie die Analyse erschweren können, und die Hauptziele für künftige Missionen zur Erkennung von Leben sind Orte mit salzigen, flüssigen Wasserozeanen unter ihrer Oberfläche – Welten wie der Jupitermond Europa und der Saturnmond Enceladus.

Seit 2013 haben Bradburne, Craft und ein Team von Forschern am APL neue, handtellergroße Mikrofluidiksysteme für künftige Raumfahrzeuge entwickelt, um diese Herausforderung anzugehen. Sie können Moleküle aufreinigen und isolieren, die starke Indikatoren für Leben sein könnten – Aminosäuren, Proteine, RNA, DNA.

„Es ist viel interessanter, an den Detektor zu denken“, sagte Bradburne. „Aber wenn man seine Proben nicht vorbereiten und optimieren kann, so dass der Sensor erkennen kann, was man sucht, nützen sie einem nichts.“

Aber das Team treibt eines seiner Instrumente noch weiter voran: einen Sequenzer für den Weltraum. Er würde nicht nur langkettige Moleküle wie DNA und RNA vorbereiten und konzentrieren, sondern auch ihren gesamten genetischen Code direkt am Zielort auslesen. Außerdem würden diese Moleküle unabhängig davon, ob sie der irdischen DNA und RNA ähneln oder nicht, erkannt, so dass Leben mit einem völlig anderen Ursprung nachgewiesen werden könnte.

„Man könnte damit ein wirklich eindeutiges Signal erhalten“, sagte Bradburne. Man muss nur herausfinden, wie man es bauen kann.

Die Reinigungsmaschinen

Craft und Bradburne hatten bereits 2014 erwogen, einen Probenvorbereitungschip für DNA und RNA zu entwickeln, aufbauend auf Arbeiten, die Bradburne einige Jahre zuvor begonnen hatte.

Als Lebensindikatoren stehen DNA und RNA relativ weit oben auf der Liste, da beide das Rückgrat bilden, aus dem sich alles Leben auf der Erde entwickelt hat. Aber genau aus diesem Grund waren viele Wissenschaftler skeptisch gegenüber der Suche nach DNA und RNA anderswo im Sonnensystem.

Damit genetisches Material Informationen zwischen den Generationen weitergeben kann, so argumentierten sie, müssten sich die Organismen bereits bis zu einem gewissen Grad entwickelt haben; eine ziemlich unwahrscheinliche Möglichkeit, so Craft. Daher betrachteten viele Wissenschaftler DNA und RNA als weniger wichtige Biosignaturen und gaben stattdessen den anderen Bausteinen des Lebens, wie den Aminosäuren – den Bestandteilen aller Proteine und Enzyme – den Vorrang. „Für diese Signaturen müsste das Leben nicht ’so weit entwickelt‘ sein“, erklärte Craft.

Das Team schaltete also einen Gang zurück und baute ein Miniatur-Probenaufbereitungssystem für Aminosäuren. Die APL-Chemikerin Jen Skerritt, die Chemieingenieurin Tess Van Volkenburg und später Korine Ohiri, ein Experte für Mikrofluidik, schlossen sich dem Team an. Seit 2018 haben sie das Design schrittweise perfektioniert.

Mit einer Breite von etwa 4 Zoll, einer Länge von 4 Zoll und einer Höhe von 2 Zoll passt das System leicht in die Handfläche eines Menschen. Dennoch ist es mit allen Pumpen und Ventilen ausgestattet, die benötigt werden, um eine Probe durchzuschleusen. Der aktive Bereich des neuesten Modells ist mit winzigen Kügelchen gefüllt, die Aminosäuren in sauren Lösungen anziehen, während Salze und andere Verunreinigungen auf der anderen Seite in ein Abfalldepot abfließen. Nachdem die Probe durchgelaufen ist, werden die Aminosäuren mit einer basischen Lösung von den Kügelchen abgestreift und zu dem Detektor transportiert, der an den Chip angeschlossen ist.

Ein Aufbereitungssystem für den Weltraum zu entwickeln, war nicht einfach, so Ohiri. Die verfügbare Energiemenge beträgt nur einen Bruchteil dessen, was im Labor verwendet werden kann, und die Materialien müssen potenziell extremen Temperaturen und Strahlungen standhalten. Das Team stellt das Aminosäure-Reinigungssystem derzeit aus gängigen Rapid-Prototyping-Materialien her, z. B. aus hochauflösenden Harzen, die im 3D-Druck verwendet werden, aber es bleibt eine Herausforderung, das Material weltraumtauglich zu machen und gleichzeitig seine Leistungsfähigkeit zu erhalten, so Ohiri. „Aber genau das ist das Spannende an diesem Projekt: Es gibt so viele Aspekte, die wirklich zukunftsweisend sind.“

Bildunterschrift: Wie man DNA im Weltraum isoliert und sequenziert: Beginnen Sie mit einer Aufschlussphase, in der Sie mit Hilfe von Schall- oder anderen Wellen magnetisch anziehende Kügelchen pulsieren, so dass sie Sporen oder Zellen aufbrechen und die DNA freisetzen. Die DNA haftet an den Kügelchen, die dann während des Reinigungsschritts zu einem Magneten gezogen werden. Die Beads werden dann gewaschen, um die DNA zu entfernen, die dann an einen Nanoporen-Sequenzer geschickt wird. Der Sequenzer liest dann die Kette der Moleküle aus, aus denen die DNA besteht – C, A, T und G. Dieser Aufbau sollte theoretisch für jedes langkettige Molekül wie die DNA funktionieren, einschließlich RNA, Proteine oder etwas völlig Neues.

Bildnachweis: Johns Hopkins APL

Der Nachteil bei Aminosäuren ist jedoch, dass sie überall vorkommen – von Meteoriten über Kometen bis zu interstellaren Wolken. Bestimmte Anhaltspunkte können darauf hinweisen, ob sie biologisch sind oder nicht. Aminosäuren gibt es in zwei Formen, die spiegelbildlich zueinander sind: die eine gilt als linkshändig, die andere als rechtshändig. Durch einen glücklichen Zufall der Evolution verwendet alles Leben auf der Erde nur die linkshändigen Aminosäuren. Wenn also in einer Probe aus einer anderen Welt eine Form häufiger vorkommt als die andere, könnte das ein Zeichen für Leben sein.

Bradburne glaubt das jedoch nicht ganz. „Woher weiß man, dass es sich nicht einfach um eine Kontamination handelt?“, fragt er, etwa um eine Mikrobe, die per Anhalter unterwegs ist und irgendwie dem gründlichen Reinigungsprozess entkommen ist, den alle Raumfahrzeuge vor dem Start durchlaufen. Um Leben im Universum aufzuspüren, kommt es seiner Meinung nach nicht nur darauf an, die gesuchten Moleküle nachzuweisen, sondern auch die Wahrscheinlichkeit eines falsch positiven Ergebnisses zu minimieren und sicherzustellen, dass die Experimente wiederholbar sind.

DNA und RNA sind nicht unbedingt besser geeignet, um diese Probleme zu lösen, es sei denn, man kann sie sequenzieren. Deshalb sah das Team in der Erfindung von Nanoporen-Sequenzierern eine neue Chance.

Der Weg zur Sequenzierung

Nanoporen-Sequenzierer sind kleine, daumengroße Geräte, die einen DNA- oder RNA-Strang aufnehmen und die Reihe der molekularen Bausteine, aus denen er besteht, auslesen können. Der Strang bewegt sich durch eine Pore, die nur Milliardstel Zoll breit ist und durch die ein elektrisches Feld fließt. Jedes Nukleotid unterbricht dieses elektrische Feld auf seinem Weg durch die Pore auf einzigartige Weise. Und ein Computer kann diese Unterbrechung interpretieren und genau sagen, welches Nukleotid gerade durchgelaufen ist.

Abgesehen davon, dass sie die ideale Größe für ein Raumschiff haben, so Bradburne, sollten Nanoporen-Sequenzierer theoretisch in der Lage sein, jede Art von langkettigem Molekül zu interpretieren, das durchkommt – DNA, RNA, Proteine oder eine unbekannte XNA. Aber sie verringern auch die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei einem Signal nicht nur um eine blinde Mikrobe handelt. Organismen, die auf der Erde beheimatet sind, haben erkennbare Stränge, z. B. solche, die für bestimmte Enzyme und andere Proteine codieren, die allen Lebewesen auf der Erde gemeinsam sind. Wenn also Sequenzen mit denen übereinstimmen, die hier auf der Erde häufig vorkommen, handelt es sich wahrscheinlich um ein falsches Positiv.

„Der wissenschaftliche Ertrag wäre einfach erstaunlich“, sagte Bradburne.

Es gibt jedoch eine Reihe von Gründen, warum die derzeitigen Nanoporen-Sequenzer nicht für den Weltraum geeignet sind. Zum einen bestehen sie aus Materialien, die jahrelangen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und Strahlung nicht standhalten können; selbst auf der Erde halten sie nur etwa sechs Monate. Noch problematischer ist, dass für die Poren Proteine von Staphylokokken verwendet werden, was die Gefahr birgt, dass versehentlich biologische Produkte von der Erde eingeschleppt werden.

Diese Herausforderungen haben das Team gezwungen, stattdessen mit der Entwicklung eines neuartigen Sequenzierers und eines begleitenden Probenvorbereitungssystems zu beginnen.

„Die Idee ist, dass wir schließlich ein komplettes Instrument haben werden, um die Probe so vorzubereiten, wie wir es wollen, und sie dann zu analysieren“, sagte Craft.

Die Probenvorbereitungskomponente hat im letzten Jahr bedeutende Fortschritte gemacht. Das Team probiert Schallwellen und andere störende Methoden aus, um Zellen und Sporen aufzubrechen, die das genetische Material beherbergen könnten, und magnetische Kügelchen, um die langkettigen Moleküle festzuhalten.

Das Design des Nanoporen-Sequenzers war jedoch eine größere Herausforderung. Eine synthetische Plattform mit eingepreßten Nanoporen ist am idealsten, aber wie man die Größe der Poren kontrolliert und sie so gestaltet, daß sie das Molekül verlangsamen, damit der Computer jedes Molekül in der Kette registrieren kann, wenn es hindurchgeht, bleibt ungewiß. Ein kanadischer Mitarbeiter schlug sogar vor, die Poren erst am Zielort herzustellen, um Probleme mit der Haltbarkeit zu vermeiden. „Ich bin mir nicht sicher, wie wir das machen würden, aber im Moment ist nichts vom Tisch“, sagte Bradburne.

Trotz der Hindernisse hat das Team keine Zeit damit verschwendet, mit Forschern, die Konzeptmissionen entwickeln, über sein Werkzeug zu sprechen. „Wir sprechen darüber, wann immer wir können“, sagte Craft, vor allem, um die Leute wissen zu lassen, dass es sich um ein aufstrebendes, realisierbares Instrument handelt.

Und ein aktuelles Konzept, eine Mission zum Saturnmond Enceladus, beinhaltet etwas sehr Ähnliches.

Eine weitere Suche nach Leben

Mit einer Breite von 314 Meilen – etwa so breit wie Pennsylvania – und durchschnittlich neunmal weiter von der Sonne entfernt als die Erde, sollte Enceladus eigentlich nur ein gefrorener Eisball sein.

Aber im Jahr 2006 machte die Cassini-Mission der NASA eine verlockende Entdeckung: eine Wolke aus Wasserdampf und Eis, die aus vier höhlenartigen „Tigerstreifen“ am Südpol von Enceladus austritt. Verschiedene Messungen deuten darauf hin, dass die Verwerfungen direkt mit einem globalen Flüssigwasserozean unter der Oberfläche verbunden sind. Dieser Ozean könnte mit dem felsigen Kern des Mondes auf eine ähnliche Weise interagieren wie die hydrothermalen Tiefseequellen der Erde, in denen fast 600 Tierarten leben und gedeihen.

Bildnachweis: Johns Hopkins APL

Als Cassini durch die Schwaden flog, fand es Moleküle wie Methan, Kohlendioxid und Ammoniak – vermutlich chemische Fragmente komplexerer Moleküle mit vier der sechs für das Leben wichtigen Elemente: Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff.

„Enceladus ist eine Ozeanwelt, für die wir genügend Daten haben, um über die Frage hinauszugehen, ob sie bewohnbar ist“, sagte Shannon MacKenzie, Planetenforscher am APL. „Bei Enceladus sind wir bereit, den nächsten Schritt zu tun und nach Anzeichen von Leben zu suchen.“

MacKenzie leitete kürzlich die Entwicklung eines Missionskonzepts, das genau das tun würde. Es heißt „Enceladus Orbilander“ und würde genau so funktionieren, wie es sich anhört: halb Orbiter, halb Lander. Sechs Instrumente würden Messungen an Material durchführen, das aus der Enceladus-Fahne gesammelt wurde, um nach verschiedenen potenziellen Biosignaturen zu suchen – links- und rechtshändige Aminosäuren, Fette und andere langkettige Kohlenwasserstoffe, Moleküle, die genetische Informationen speichern können, und sogar zellähnliche Strukturen.

Als Missionskonzept enthält die Orbilander-Studie keine spezifischen Instrumentenimplementierungen wie die, die das Team von Craft und Bradburne entwickelt, aber sie enthält ihre konzeptionellen Ideen.

„Es wird immer ein gewisses Maß an Unsicherheit bei der Suche nach Leben geben“, sagte MacKenzie. „Deshalb ist eine gute Probenvorbereitung, die dazu beiträgt, die Nachweisgrenze zu minimieren, so wichtig, und deshalb sind Instrumente wie der Nanoporen-Sequenzer, der sowohl die Identifizierung als auch die Charakterisierung ermöglicht, so entscheidend.“

Mit der Chance, einen Ozeanmond zu beproben, versucht das Team von Craft und Bradburne zu bestimmen, wie viel Wasser nötig ist, um diese Biosignaturen zu entdecken. Und das ist natürlich nicht einfach. „Ich dachte, wir könnten zu diesen Ozeanwelten gehen, unsere Zehen hineinstecken und sehen, ob es dort Leben gibt oder nicht“, so Craft. Aber als sie die Forschungsergebnisse von Ozeanographen las, erfuhr sie, dass diese literweise Wasser filtern müssen, um nach Beweisen für Leben zu suchen – sogar hier auf der Erde. „Es ist einfach erstaunlich. Das ganze Wasser da draußen ist so verdünnt“, sagt sie.

Wie sammelt man so große Mengen Wasser und konzentriert sie auf einer anderen Welt? Wie verarbeitet man sie in einem Mikrochip und stellt fest, ob es dort wichtige Moleküle gibt?

„Es gibt einfach eine Reihe von Herausforderungen, die noch nicht gelöst sind“, so Craft. Das Team arbeitet jedoch weiter. Letzten Monat führten sie einige Experimente durch, bei denen sie verschiedene Mengen verdünnter Aminosäureproben, die mit Meerwasser versetzt waren, durch ihren Probenchip spülten. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend: Das System erfasst alle Aminosäuren mit einer Reihe von Wirkungsgraden, über die in einer bald erscheinenden wissenschaftlichen Abhandlung berichtet wird.

Wenn Enceladus Orbilander jemals vom Konzept zur Startrampe gebracht wird, würde es nicht vor Mitte der 2030er Jahre abheben, was dem Team von Craft und Bradburne etwas Zeit für die weitere Entwicklung seiner Werkzeuge gibt. Aber selbst wenn die Technologie für diese Mission noch nicht bereit ist, bleibt Ohiri, wie auch andere Mitglieder des Teams, optimistisch, dass die Technologie eines Tages fliegen wird.

„Meine Hoffnung ist, dass zu dem Zeitpunkt, an dem die Technologie ausgereift genug ist, eine Mission geplant ist und wir dafür bereit sein werden“, sagte sie.