Die Entdeckung ferner Welten

Der Sternenhimmel hat die Menschheit schon immer fasziniert und schon unsere steinzeitlichen Vorfahren mögen sich die Frage gestellt haben, was es dort draußen zu entdecken geben mag. Doch erst innerhalb der letzten 30 Jahre steht die notwendige Technologie zur Verfügung, um sich darüber tatsächlich eine Vorstellung machen zu können.

Im Laufe der Jahrhunderte hat sich unser Weltbild stark verändert. War man vor ein paar hundert Jahren noch davon überzeugt, dass sich die Erde im Mittelpunkt des Universums befindet und sich alle anderen Himmelskörper um sie drehen, weiß man heute, dass die Sonne den Mittelpunkt des Planetensystems darstellt, um den die acht Planeten unseres Sonnensystems kreisen. Den genauen Aufbau des Sonnensystems könnt ihr HIER nachlesen. Heute weiß man, dass auch unser Planetensystem keine Ausnahme im Universum, sondern nur eines unter vielen ist.

Wenn ihr in den Nachthimmel seht, könnt ihr viele funkelnde Lichtpunkte erkennen - die Sterne. Doch was sind Sterne überhaupt? Nun, Sterne sind einfach ausgedrückt riesige Feuerbälle, die hauptsächlich aus Wasserstoff bestehen und ihre Energie aus der Fusion desselben gewinnen. In ihrem inneren werden Wasserstoffkerne zu Heliumkerne verschmolzen, wobei eine riesige Menge an Energie frei wird.
Der uns nächstgelegene Stern ist die Sonne. Alle Sterne, die ihr am Nachthimmel sehen könnt, sind also Sonnen unterschiedlicher Größe, die sehr weit von uns entfernt sind. Die Sterne sind in großen, meist spiralförmig organisierten Galaxien gruppiert, von welchen eine Galaxie wie unsere Milchstraße ca. 200 Milliarden Sterne umfasst. Im beobachtbaren Universum gibt es wiederrum ca. 200 Milliarden Galaxien und im gesamten Kosmos vermutet man eine ca. zehn mal höhere Anzahl - also zwei Billionen Galaxien. Das Universum umfasst also eine unfassbar große Anzahl an Sternen bzw. Sonnen.

Angesichts dieser großen Zahl an Sonnen stellte sich nun die Frage, ob auch andere Sterne Planetensysteme wie unsere Sonne besitzen. Diese Frage wurde durch die Entdeckung des ersten Exoplaneten um den Stern 51 Pegasi im Jahr 1995 beantwortet. Als Exoplanet werden Planeten bezeichnet, die nicht unsere Sonne, sondern einen anderen Stern umkreisen. Mittlerweile hat man knapp 3500 Exoplaneten um insgesamt gut 2700 Sterne entdeckt. Die Suche dabei beschränkt sich derzeit noch auf Sterne, die sich nach kosmischen Verhältnissen in unmittelbarer Nachbarschaft zu unserer Sonne befinden. Ungefähr 350 der bisher entdeckten Exoplaneten können zu den erdähnlichen Planeten gezählt werden, d.h. es handelt sich um Gesteinsplaneten mit ähnlicher Masse wie die Erde. Einige dieser erdähnlichen Exoplaneten befinden sich in der lebensfreundlichen Zone ihres Sterns, d.h. sie befinden sich in einem Abstand zu ihrer Sonne, der Leben wie wir es kennen, ermöglichen würde, weil auf den Planeten in dieser Zone Wasser in flüssiger Form existieren kann. Als nächster Schritt soll nun in den kommenden Jahren durch spektroskopische Atmosphärenanalysen nach Hinweisen auf Leben auf diesen Exoplaneten gesucht werden.

Ein vielversprechender Kandidat hinsichtlich Leben befindet sich in unserer unmittelbaren Nachbarschaft. Erst vor einem Jahr hat man nämlich um den zur Sonne nächsten Stern Proxima Centauri in ca. vier Lichtjahren Entfernung einen erdähnlichen Planeten entdeckt, der sich im richtigen Abstand zu seiner Sonne befindet.

Besonders interessant ist auch das Planetensystem um den 40 Lichtjahre entfernten roten Zwergstern TRAPPIST-1. Dort konnten 2017 gleich sieben erdgroße Planeten nachgewiesen werden, von denen sich drei in der lebensfreundlichen Zone befinden. Erst letzte Woche wurden die neuesten Erkenntnisse zu diesem Planetensystem veröffentlicht. Demzufolge sind zwei der Planeten von TRAPPIST-1 mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit bewohnbar und beherbergen 250 mal mehr Wasser als die Erde. In diesem Zusammenhang ist auch die Tatsache interessant, dass TRAPPIST-1 doppelt so alt ist wie unsere Sonne und potentielles Leben also sehr viel mehr Zeit gehabt hätte, sich zu entwickeln.

Mehr über das TRAPPIST-1 System findet ihr HIER. 

Die Entdeckung und Erforschung fremder Welten bleibt also spannend.

Der Ursprung des Lebens und was ist Leben überhaupt?

Schon seit meiner Kindheit bin ich von der Wissenschaft im Allgemeinen und dem Weltraum im Besonderen fasziniert, was mich auch letztendlich dazu bewogen hat, Biologie zu studieren. Besonders spannend finde ich dabei vor allem die Grenzbereiche unseres aktuellen Wissenstands. Da dies einen wesentlichen Teil meines Lebens ausmacht, möchte ich entsprechende Themen auch gerne in meinem Blog integrieren. Vielleicht kann ich die eine oder den anderen ja mit meiner Faszination anstecken ;)

Beginnen möchte ich heute mit einem (wie könnte es anders sein) biologischen Thema - der Frage nach dem Ursprung des Lebens auf der Erde.

Die Frage nach dem Ursprung des Lebens auf der Erde ist ein vieldiskutiertes Thema in naturwissenschaftlichen Kreisen. Es gibt viele Vermutungen wie und warum der Prozess der Lebensentstehung auf der Erde stattgefunden haben könnte, aber eine rundum zufriedenstellende Erklärung gibt es bis heute nicht dafür. Berücksichtigt man die Tatsache, dass das Leben in einer für kosmische und geologische Maßstäbe extrem kurzen Zeitspanne nach der Geburt unseres Planeten entstanden ist, ist es sehr unwahrscheinlich, dass die Entstehung des Lebens ein rein zufälliges, einmaliges Ereignis im Universum gewesen ist. Vielmehr scheint das Universum danach ausgerichtete zu sein, Leben wo immer es möglich ist, hervorzubringen. Die enorme Artenvielfalt auf der Erde auch in den extremsten Lebensräumen und die Tatsache, dass selbst in interstellaren Gaswolken Bausteine des Lebens wie Aminosäuren nachgewiesen wurden, erhärten diese Annahme.

Um die Unwahrscheinlichkeit einer zufälligen Entstehung des Lebens zu verdeutlichen, hat der englische Astronom Fred Hoyle einen anschaulichen Vergleich aufgestellt: die zufällige Entstehung komplexer Lebensformen ist ebenso unwahrscheinlich wie die zufällige Entstehung eines Jumbojets, wenn ein Wirbelsturm durch einen Schrotthaufen fegt. Wobei höhere Lebensformen noch weitaus komplexer aufgebaut sind als ein Jumbojet.

Auf das Universum übertragen bedeutet dies, dass das Leben nicht zufällig aus einem ungerichteten Chaos entstanden ist, sondern dass die Naturkonstanten sowie chemische und physikalische Abläufe so gestaltet sind, dass sie in ihrem Zusammenspiel zwangsläufig Leben hervorbringen werden, wenn die Bedingungen dafür auch nur ansatzweise geeignet sind.

Bereits 1953 zeigten Stanley Miller und Harold Urey in ihrem Experiment, dass die Bausteine des Lebens wie Aminosäuren sehr rasch entstehen, wenn einer Uratmosphäre aus Wasser, Ammoniak, Methan, Wasserstoff und Kohlenmonoxid wie sie die frühe Erde besessenen hat, Energie in Form von Blitzen bzw. elektrischen Entladungen zugeführt wird. Bezogen auf den Schrottplatz-Vergleich von Hoyle entstehen die Schrottteile also vergleichsweise leicht und sind massenhaft vorhanden - auch im interstellaren Raum.

Wie aber ist die Entstehung des Lebens auf der Erde dann weitergegangen? Und wie sind aus den organischen Verbindungen die ersten Proteine und Zellen entstanden? Man ist sich einig, dass Wasser bei der Entstehung des Lebens eine zentrale Rolle gespielt haben muss. Doch ein Herumwirbeln in den Gezeitenzonen des Urmeeres war dafür wohl ebensowenig ausreichend wie ein Wirbelsturm auf dem Schrottplatz für die Entstehung eines Jumbojets. Der amerikanische Mineraloge und Astrobiologe Robert Hazen hat nun postuliert, dass für die weitere Entwicklung des Lebens neben dem Wasser und den Grundbausteinen des Lebens auch eine katalysierende Oberfläche notwendig gewesen sein muss, an welcher die organischen Moleküle zusammengeführt wurden und miteinander reagieren konnten. Und diese Oberflächen waren auf der jungen Erde in Form von Gestein und Mineralien im Überfluss vorhanden.

Besonders gut als Katalysator war laut Hazen Lehm geeignet. Lehm besteht aus übereinanderliegenden Schichten ähnliche wie ein Stapel Pfannkuchen. Zwischen den Schichten befindet sich Wasser und andere darin gelöste Moleküle. Zusammen mit der sehr großen Oberfläche des Lehms werden so ideale Bedingungen für die Entstehung komplexer Moleküle bis hin zu Ribonukleinsäure - ein essentieller Baustein des Erbmaterials - geschaffen.

Hazen hat in diesem Zusammenhang einmal ausgerechnet, wie viele Versuche zur Lebensentstehung die Erde innerhalb der 600 Millionen Jahre bis die erste Zelle entstand rein theoretisch tatsächlich hatte. Dabei ging Hazen davon aus, dass die durchschnittliche Dauer einer chemischen Reaktion ca. 10 Sekunden beträgt und eine solche Reaktion im Schnitt auf einer Fläche von 10^-12 cm² stattfindet. Für die gesamte Oberfläche an Lehm auf der Erde legte Hazen einen Wert von einer Billion Kubikkilometer zugrunde. In einem würfelzuckergroßen Stücl Lehm ist dabei eine Gesamtoberfläche verborgen, die so groß ist wie ein Tennisplatz. Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren ergibt sich eine Anzahl von 2 x 10^54 chemischen Reaktionen innerhalb von 600 Millionen Jahren. Das wären also 2.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Reaktionen. Ein Gedankenspiel, bei dem einem leicht schwindlig werden kann.

Es ist ein Ding der Unmöglichkeit, all diese Reaktionen in einem Labor durchzuspielen, um genau diejenige zu entdecken, die für die Weiterentwicklung des Lebens ausschlaggebend war. Und so ist es bisher auch noch nicht gelungen, die Folgeschritte zur Entstehung des Lebens nach dem Miller-Urey-Experiment im Labor zu simulieren. Im Gegensatz zum Labor sind im planetaren Maßstab jedoch zwei Dinge im Überfluss vorhanden: Zeit und Raum. Aus diesem Grund könnte das Leben auf der jungen Erde auch tausende Male unabhängig voneinander entstanden sein.

Doch was genau ist Leben überhaupt und wo zieht man die Grenze zwischen einer Ansammlung organischer Moleküle, die miteinander reagieren, und einem tatsächlich lebendigem Organismus? In der Wissenschaft wird Leben als ein sich selbst erhaltendes, chemisches System definiert, das einen Stoffwechsel besitzt und zur Fortpflanzung fähig ist. Dies gilt zumindest für Lebewesen, wie wir sie heute auf der Erde kennen. Doch ist dies ein allgemeingültiges Prinzip oder kann Leben auch ganz anders aussehen? Würden wir Leben auf einem anderen Planeten überhaupt als solches erkennen?

Und wie sahen die Zwischenstufen aus, die letztendlich von unbelebten Systemen zu den uns heute bekannten Organismen geführt haben? Hazen geht davon aus, dass es sich bei der ersten irdischen "Lebensform" um einen Molekülfilm auf einer Gesteinsoberfläche gehandelt hat. Nachweisen kann man diese angenommenen Zwischenstufen heute jedoch nicht mehr, denn bei den ältesten, bekannten Lebensformen auf der Erde handelte es sich bereits um komplexe Zellen, deren Entstehungsgeschichte in der Frühzeit unseres Planeten verborgen liegt und die scheinbar von den nachfolgenden, höheren Lebensformen komplett ausgelöscht wurde.

Astrobiologen suchen deshalb außerhalb unseres Planeten nach Antworten auf die Frage nach dem Enststehungsprozess des Lebens. Einige Himmelskörper in unserem Sonnensystem wie z.B. der Mars oder die Eismonde der Planeten Saturn und Jupiter besitzen oder besaßen in ihrer Vergangenheit die Grundvoraussetzungen für Leben wie wir es kennen. Dort könnten auch immer noch Zwischenstufen auf dem Weg von unbelebter Materie zu komplexeren Lebensformen vorhanden sein, die Licht in den Entstehungsprozess des Lebens bringen könnten.

 

Chance, Necessity, and the Origins of Life

Origin of Life - How Life Started on Earth