Quelle: DLR 7. September 2022.

7. September 2022 – Chlorophyllin, Beta-Carotin, Melanin, Chitin, Zellulose, Naringenin, Querzetin – solche exotisch klingenden biologischen Verbindungen sind wichtige Bestandteile irdischer Organismen, die extreme Umweltbedingungen aushalten. Zwischen Oktober 2014 und Februar 2016 wurden diese sieben Moleküle einem Langzeit-Stresstest im Weltall unterzogen. Überleben diese Substanzen auch die harten Strahlungsbedingungen im All? Wie stark setzen ihnen die extremen Temperaturunterschiede dort zu? Wie verändern sie sich? Und könnten sie beispielsweise auf dem Mars auch mit ferngesteuerten Messinstrumenten identifiziert werden? 469 Tage wurden die Biomoleküle an der Außenwand der Internationalen Raumstation ISS der intensiven Strahlung und dem alle 90 Minuten wechselnden Tag-und-Nacht-Rhythmus ausgesetzt. Das Ergebnis des vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) angeführten Experiments zeigt, dass die Biomoleküle im Marsboden zum einen fast unverändert überleben würden, vor allem aber mit der Methode der Raman-Spektroskopie auf dem Mars identifiziert werden könnten.

„Unsere Ergebnisse sind die ersten systematisch gemessenen Raman-Signaturen, quasi Fingerabdrücke von isolierten und im niedrigem Erdorbit dem Weltall ausgesetzten Biomolekülen“, erklärt Dr. Mickael Baqué vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Sie bestätigen, dass wir die Raman-Spektroskopie, eine schnelle und zerstörungsfreie Messtechnik, für die Suche nach Spuren von Leben auf dem Mars einsetzen können – insbesondere im von der UV-Strahlung abgeschirmten Untergrund.“ Mickael Bacqué ist Erstautor einer nun im Wissenschaftsmagazin Science Advances erschienen Studie, die Messungen und Ergebnisse des Experiments BIOMEX zusammenfasst. BIOMEX steht für BIOlogy and Mars EXperiment und war eines von vier Experimenten, die unter dem Namen EXPOSE-R2 zusammengefasst waren. Die Experimente wurden gemeinsam von der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der russischen Agentur Roskosmos auf der ISS durchgeführt. Am 18. Juni 2016 kehrten die nach dem Experiment vor Licht- und Umwelteinflüssen geschützten Proben mit dem ESA-Astronauten Tim Peake in einer Sojus-Kapsel zur Erde zurück. Die Auswertung erfolgte unter anderem am DLR.

Gab oder gibt es Leben auf dem Mars?
Die Suche nach fossilen oder noch heute lebenden Organismen auf anderen Himmelskörpern ist eine der großen Triebfedern der aktuellen Planetenforschung. Leben ist bisher nur auf der Erde bekannt, aber es ist denkbar, dass sich Leben einst auch auf dem Mars, dem äußeren Nachbarplaneten der Erde, entwickelte oder dort vielleicht sogar noch heute existiert. Vor drei bis vier Milliarden Jahren gab es Wasser auf dem Mars, die Atmosphäre war dichter als heute und die Temperaturen höher. Mobile Marsroboter wie der vor zehn Jahren im Krater Gale gelandete Rover Curiosity haben in Sedimentgesteinen nachgewiesen, dass die wichtigsten chemischen Elemente für die Voraussetzungen von Leben vorhanden sind, wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor. Spuren von Leben, sogenannte Biosignaturen, wurden jedoch noch nicht entdeckt. „Die jetzt in BIOMEX exponierten und danach untersuchten Biomoleküle spielen eine Schlüsselrolle für die aktuelle und zukünftige Suche nach Biosignaturen“, erläutert der damalige Leiter des BIOMEX-Experiments Dr. Jean-Pierre Paul de Vera vom Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) in der DLR-Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining. „Denn um den Nachweis von Lebensspuren überhaupt führen zu können, müssen wir wissen, was die harschen Umweltbedingungen mit potentiellen Organismen und ihren molekularen Bestandteilen auf dem Mars machen, wie stabil sie sind oder wie sie sich gegebenenfalls durch die UV-Strahlung verändern und das dadurch gemessene Signal variiert.“

Manche Organismen mögen es extrem – wie auf dem Mars
Vor allem die auf dem Mars viel stärkere UV-Strahlung und eine die Moleküle ionisierende Strahlung, aber auch die oxidierende Umgebung und extreme Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht setzen fossilen oder existierenden Organismen zu. Das geschieht nicht nur auf dem Boden, sondern auch in Zentimetern bis zu Metern unter der Oberfläche. Für BIOMEX wurden deshalb sieben Molekülsorten für mehrere hundert Proben ausgewählt, beispielsweise Archaeen, einzellige Organismen ohne Zellkern, wie sie auch ganz am Anfang der Entwicklung von Leben auf der Erde standen und deren Existenz vor Milliarden Jahren auch auf dem Mars für möglich gehalten wird. Die für BIOMEX ausgewählten Biomoleküle sind Bestandteil von irdischen Organismen, die unter extremsten Bedingungen – Trockenheit, Kälte, Hitze, UV-Strahlung – zu überleben in der Lage sind, sogenannte extremophile Organismen.

An solchen Biomolekülen wurde bei Laboruntersuchungen auf der Erde bereits gezeigt, dass sie mit Raman-Spektroskopie (siehe auch untenstehender Kasten) identifiziert werden können. Für BIOMEX wurden die Biomoleküle auf zwei unterschiedlichen, am Museum für Naturkunde Berlin entwickelten Mars-Analogmaterialien aufgebracht beziehungsweise mit dem Regolith, dem simulierten Marsboden, vermischt: einmal ein Regolith, der mehr aus Schichtsilikaten besteht und der dem frühen Mars entspricht, und zum anderen ein schwefelhaltiges Substrat, das eher einem im Mars-Mittelalter entstandenen Regolith ähnelt. Anschließend wurden die Proben in drei Lagen unter hochtransparentem Glas von einer der Marsatmosphäre entsprechenden ‚Luft‘ umgeben bzw. vakuumiert, so dass nur die oberste Lage den Weltraumbedingungen direkt ausgesetzt war, und bei den beiden darunterliegenden Lagen die Biomoleküle gewissermaßen geschützt sind und Proben unter der Marsoberfläche repräsentieren. BIOMEX wurde am 24. Juli 2014 mit der Versorgungsmission Progress 56P zur ISS gebracht und am 22. Oktober 2014 von den Kosmonauten Maxim Surajew und Alexandr Samokutjaew durch Entfernen der Schutzabdeckung am Swesda-Modul der Raumstation den Weltraumbedingungen ausgesetzt.

ISS war die ideale Plattform für BIOMEX
„Die ISS umkreist die Erde in rund 400 Kilometer Höhe. Dort ist die UV-Strahlung um ein Vielfaches stärker als auf der Erde“, erklärt de Vera. „Die ISS bot ideale Voraussetzungen für dieses Experiment, denn die Weltraumbedingungen kommen der Situation auf dem Mars, dessen Schutz durch die Atmosphäre wesentlich geringer ist als auf der Erde und deshalb ebenfalls viel UV-Strahlung empfängt, viel näher.“ Ein Teil von BIOMEX war auch ein von der DLR-Wissenschaftlerin Dr. Petra Rettberg geleitetes, begleitendes Experiment im DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln, wo die gleichen Biomoleküle unter Quasi-Marsbedingungen in einer Weltraum-Simulationskammer typischen Strahlungsbedingungen und Temperaturunterschieden ausgesetzt waren. Nach der Rückkehr von BIOMEX wurden die Proben aus dem All und die des irdischen Labors verglichen.

„Die Datenauswertung gestaltete sich sehr aufwendig und musste sehr sorgfältig vorgenommen werden“, blickt Baqué auf anstrengende Jahre nach dem Experiment zurück. „Besonders schwierig wurde es dann, wenn sich in den Raman-Spektren zu den Signaturen der Biomoleküle auch diagnostische Linien von abiotischen Stoffen, also beispielsweise dem eisenhaltigen Mineral Hämatit oder von nicht-organischem Kohlenstoff gesellten und wir das auseinanderhalten mussten. Aber am Ende haben wir jetzt ein solides Ergebnis vorliegen, mit dem die Suche nach früherem oder noch existierendem Leben auf dem Mars wirklich verbessert werden kann.“ Wie erwartet, veränderte die ultraviolette Strahlung die Signale des Raman-Spektrums bei all jenen Proben stark, die sich in der Versuchsanordnung oben an der Oberfläche befanden und unmittelbar der UV-Strahlung ausgesetzt waren. Aber es wurden nur geringfügige Änderungen der Spektren beobachtet, wenn die beiden darunter folgenden Probenreihen vor dem UV-Licht abgeschirmt waren.

„Diese Erkenntnis ist für diejenigen Marsmissionen, die nach Biosignaturen unter der Marsoberfläche suchen, von fundamentaler Bedeutung“, freut sich de Vera. „Biosignaturen direkt auf der Oberfläche sind für die Raman-Spektroskopie allerdings schwieriger zu identifizieren. Doch dafür gibt es andere, heute noch besser geeignete Methoden.“ Raman-Spektroskopie wird aktuell auf der seit 2021 im Krater Jezero operierenden NASA-Mission Mars 2020 und ihrem Rover Perseverance mit den Experimenten SuperCam und SHERLOC durchgeführt. Außerdem soll sie auf der europäischen Mission ExoMars mit dem Rover Rosalind Franklin zum Einsatz kommen. An beiden Missionen sind auch DLR-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt.

Mit BIOMEX wurde die Möglichkeit des Nachweises von im All ausgesetzten und in Mars-analoger Umgebung befindlichen Biomolekülen durch Raman-Spektroskopie demonstriert. Damit ist auch eine Grundlage für eine konsolidierte, weltraumerprobte Datenbank von spektroskopischen Biosignaturen in extraterrestrischen Umgebungen gelegt.

Neben den DLR-Instituten für Planetenforschung, für Optische Sensorsysteme und für Luft- und Raumfahrtmedizin sowie dem Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) in der DLR-Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining waren in Deutschland das Robert-Koch-Institut, das Museum für Naturkunde und die TU Berlin, die TH Wildau, das Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, das GFZ Potsdam, die Universität Potsdam sowie die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf involviert.

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Quelle: DLR.

Die Erde ist ein ganz besonderer Planet: Sie ist der einzige Himmelskörper im Sonnensystem, von dem wir wissen, dass er Leben beherbergt. Oder gibt es doch weitere Planeten und Monde, auf denen Leben vorstellbar wäre? Der Mars wird hier immer zuerst genannt, er hat viele Eigenschaften mit der Erde gemeinsam und in seiner geologischen Vergangenheit strömte auch Wasser über seine Oberfläche. Doch heute sind die Bedingungen auf dem Mars so extrem, dass es schwer vorstellbar ist, dass Organsimen, wie wir sie von der Erde kennen, auf dem kalten und trockenen Wüstenplaneten überleben könnten. Herauszufinden, ob es doch möglich ist, war eines der Ziele des vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt koordinierten Experiments BIOMEX (BIOlogy and Mars EXperiment) auf der Internationalen Raumstation ISS. Jetzt liegen die Ergebnisse vor.
Ein wesentliches Resultat: Tatsächlich sind manche irdische biologische Substanzen und Strukturen sehr hart im Nehmen. Sie überlebten grenzwertige Umweltbedingungen während eines 18-monatigen Stresstests im Weltall. Dabei waren Proben unterschiedlicher Organismen wie Bakterien, Algen, Flechten und Pilze auf einer Außenplattform der ISS insgesamt 533 Tage dem Vakuum, intensiver UV-Strahlung und extremen Temperatur-Unterschieden ausgesetzt. „Einige der Organismen und Biomoleküle haben im offenen Weltraum eine enorme Strahlungsresistenz gezeigt und kehrten tatsächlich als ‚Überlebende‘ aus dem All zur Erde zurück“, zeigt sich Dr. Jean-Pierre Paul de Vera vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof beeindruckt. Dem Astrobiologen oblag die wissenschaftliche Leitung von BIOMEX. „Wir haben unter anderem Archäen, also einzellige Mikroorganismen, wie es sie auf der Erde seit über dreieinhalb Milliarden Jahren im salzigen Meerwasser gibt, untersucht. Unsere ‚Probanden‘ sind Verwandte, die aus dem Permafrost der Arktis isoliert wurden. Sie haben unter Weltraumbedingungen überlebt und sind zudem mit unseren Instrumenten detektierbar. Solche Einzeller wären Kandidaten für Lebensformen, die wir uns auch auf dem Mars vorstellen könnten.“

Leben auf dem Mars scheint nicht unmöglich zu sein
Mit diesem Ergebnis wurde das Hauptziel des Experiments erreicht: Prinzipiell scheinen manche Lebewesen, die auf der Erde unter extremen Umweltbedingungen vorkommen, sogenannte „extremophile“ Organismen, auch auf dem Mars existieren zu können. „Das bedeutet freilich noch lange nicht, dass Leben auch wirklich auf dem Mars vorkommt“, schränkt de Vera ein. „Aber die Suche danach ist nun mehr denn je die stärkste Triebfeder für die nächste Generation von Raumfahrtmissionen zum Mars.“

Die Existenz von zumindest sehr einfachen Lebensformen auf dem Mars, ob in der viereinhalb Milliarden Jahre langen Vergangenheit des Planeten oder sogar noch in der Gegenwart, ist für DLR-Astrobiologen de Vera und Kollegen prinzipiell vorstellbar. Doch bis heute fehlt der Nachweis von Leben auf dem Mars. Raumsonden in der Umlaufbahn und mobile Labore auf der Marsoberfläche zeigten zwar, dass wichtige Voraussetzungen für Leben auch noch heute vorhanden sind – eine Atmosphäre, Elemente wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder Phosphor, auch Wasser – zumindest in Form von Eis. Doch Leben selbst oder dessen Stoffwechselprodukte registrierten die Detektoren der Marsforscher bisher noch nicht.

Die BIOMEX-Ergebnisse stärken auch eine Hypothese, die unter Wissenschaftlern seit Jahrzehnten intensiv diskutiert wird und bei der Frage, wie das Leben vor 3,8 Milliarden Jahre auf die Erde kam, eine Rolle spielt: Die sogenannte Panspermia-Theorie geht davon aus, dass Organismen auf dem frühen Mars existierten und durch einen Asteroideneinschlag in ausgeworfenem Gestein von dem Planeten weggeschleudert und ins innere Sonnensystem verfrachtet wurden. Dort kollidierten manche als Meteoriten mit der Erde und die darin enthaltenen Organismen entwickelten sich weiter.

Vakuum, UV-Strahlung, Hitze, Kälte – BIOMEX als Stresstest für die Mikro-Probanden
Für das BIOMEX-Experiment wurden am 18. August 2014 mehrere hundert Proben in einem Experimentkasten von den russischen Kosmonauten Alexander Skwortzow und Oleg Artemjew auf der Außenplattform des russischen ISS-Moduls Swesda angebracht. In den zum Weltraum-Vakuum hin offenen Probenbehältern befanden sich primitive irdische Organismen wie Moose, Flechten, Pilze, Bakterien, Archäen („Urbakterien“) und Algen sowie Zellmembranen und Pigmente. Sie waren unter anderem in simulierten mineralischen Marsböden mit imitierter Marsatmosphäre eingebettet.

Am 22. Oktober 2014 entfernten die Kosmonauten Maxim Surajew und Alexandr Samokutjaew die Schutzabdeckung. Ab diesem Zeitpunkt waren die Proben unter hochtransparenten Gläsern permanent den harten Weltraumbedingungen im Vakuum ausgesetzt, mit großen Temperaturschwankungen und der dort herrschenden starken UV-Strahlung. „Dabei bot die ISS einmal mehr ideale Voraussetzungen für ein Experiment, das nur unter Weltraumbedingungen durchgeführt werden konnte“, freute sich Dr. de Vera.

Am 3. Februar 2016 wurde das Experiment bei einem dritten Außenbordeinsatz von den Kosmonauten Juri Malentschenko und Sergeij Wolkow wieder abgedeckt und in die Raumstation zurückgebracht. Am 18. Juni 2016 kehrten die Proben mit dem ESA-Astronauten Tim Peake an Bord einer Sojus-Raumkapsel zur Erde zurück. Anschließend wurde das Experiment von Baikonur (Kasachstan) zum DLR nach Köln überführt und die einzelnen Proben von den BIOMEX-Wissenschaftlern in 30 Forschungseinrichtungen in zwölf Ländern auf drei Kontinenten untersucht.

Vom 27. bis zum 29. März 2019 stellt das DLR in Berlin auf einer wissenschaftlichen Konferenz den BIOMEX-Abschlussbericht mit den Ergebnissen vor. Bisher wurden 42 begutachtete Artikel in Fachmagazinen veröffentlicht. Das renommierte Journal „Astrobiology“ widmete BIOMEX im Februar eine Sonderausgabe (Vol. 19, Issue 2, 2019).

Neue Sensoren könnten die Stoffwechselprodukte von Organismen entdecken
Die von Mikroorganismen, wie Archäen, gebildeten Stoffwechselprodukte oder Zellbestandteile könnten von Instrumenten zukünftiger Missionen auf der Marsoberfläche gemessen werden. Damit wurde ein weiteres Ziel des BIMOEX-Experiments erreicht. Das Berliner DLR-Institut für Optische Sensorsysteme nutzt zusammen mit dem Institut für Planetenforschung zu diesem Zweck Detektionsmethoden zur Identifikation der oben genannten Materialien, die ohne Probenvorbereitung auskommen.

Eine dieser Methoden ist die Raman-Spektroskopie. „Mit der Raman-Spektroskopie können wir zerstörungs-und berührungsfrei Proben auf der Marsoberfläche von einem Rover aus untersuchen“, erklärt Dr. Ute Böttger vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme. „Laserstrahlen, also energiereiches, gebündeltes Licht, regen Moleküle zu Schwingungen an. Unterschiedliche Moleküle haben dabei unterschiedliche Schwingungsmuster, die wie ein unverwechselbarer Fingerabdruck zur Identifikation von Molekülen und Kristallstrukturen verwendet werden können.“

Die Ergebnisse von BIOMEX stellen nicht nur bei der Suche nach Leben auf dem Mars einen Fortschritt dar. Sie dienen auch der Definition von „Biosignaturen“ im All und erweitern die Basis für eine Datenbank, die als Grundlage für die Suche nach Leben in unserem Sonnensystem dienen wird. Zukünftige Missionen, wie die von der ESA für 2020 geplante ExoMars-Mission, werden maßgeblich von diesen Daten profitieren. Sie können eine wichtige Hilfe bei der Identifikation und Zuordnung von Signalen darstellen, die bei ExoMars 2020 beobachtet oder die mit Raumsonden von anderen Himmelskörpern gewonnen werden. Beispielsweise wurden auch in den Eisfontänen auf dem Saturnmond Enceladus Spuren von Methan nachgewiesen. Dort, wie auch unter den Eiskrusten der Jupitermonde Europa und Ganymed, sind vermutlich beträchtliche Mengen an Wasser vorhanden, in denen primitive, einzellige Organismen entstanden sein könnten.

Das BIOMEX-Experiment
BIOMEX war eines von vier Experimenten, die unter dem Namen EXPOSE-R2 (Das R steht für die Russische Version der Expositionsplattform, die 2 für das zweite Experiment dieser Art) zusammengefasst sind. Neben BIOMEX waren dies die Experimente BOSS, PSS und IBMP. Es wurde gemeinsam von der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der russischen Weltraumagentur Roscosmos durchgeführt. „Dabei bot die ISS ideale Voraussetzungen für ein Experiment, das unter Weltraumbedingungen durchgeführt werden sollte“, freute sich Dr. de Vera.

Vor dem BIOMEX-Experiment in der 400 Kilometer hohen Umlaufbahn wurden Auswahlversuche in der Mars-Simulationskammer am DLR-Institut für Planetenforschung durchgeführt. Schließlich wurden Vorversuche und parallel zu den Weltraumexperimenten im All Tests mit ISS-identischer Versuchsanordnung in einer Weltraumsimulationskammer im DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln durchgeführt, die unter der Leitung von DLR-Wissenschaftlerin Dr. Elke Rabbow standen. Damit wurden „Kontrollproben“ zum Ablauf des Experiments und der wissenschaftlichen Auswertung geschaffen.

BIOMEX – das ESA/Roscosmos „Biology and Mars Experiment“ – fand von 2014 bis 2016 auf der Internationalen Raumstation ISS statt. Das Experiment wurde vom DLR-Institut für Planetenforschung koordiniert und geleitet. Des Weiteren waren die DLR-Institute für Luft- und Raumfahrtmedizin und Optische Sensorsysteme beteiligt. In Deutschland wirkten an der Durchführung und Auswertung ferner mit: das Robert Koch Institut, die Technische Universität und das Museum für Naturkunde in Berlin, die Technische Hochschule Wildau, das Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, das Geoforschungszentrum in Potsdam sowie die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

Der Beitrag Ergebnisse des BIOMEX-Experiments erschien zuerst auf Raumfahrer.net.