Der Vorfall mit dem Leben auf der Venus hätte dieses aufstrebende Forschungsgebiet beinahe in eine Sackgasse geführt!

Wissenschaftler, die unermüdlich nach außerirdischem Leben im fernen Sternenhimmel suchen, verlassen sich seit jeher auf Biomarker als wichtige Indikatoren. Obwohl außerirdisches Leben bis heute schwer fassbar ist, scheint die Kritik an Biomarkern, insbesondere Fragen hinsichtlich ihrer Unsicherheit, die Suche nach außerirdischem Leben vor weitere Herausforderungen gestellt und die Richtung der Astrobiologie noch verwirrender gemacht zu haben.

Zusammengestellt von Xiaoye

Im September 2020 sorgte die Bekanntgabe einer Entdeckung durch ein internationales Astronomenteam weltweit für großes Aufsehen.

Sie veröffentlichten einen Artikel in der Zeitschrift Nature Astronomy[1], in dem sie über die Entdeckung hoher Konzentrationen (100 ppb) von Absorptionslinien von Phosphingas in der Atmosphäre der Venus berichteten, einem Planeten von der Größe der Erde. Nach der Analyse der möglichen Ursachen kamen sie zu dem Schluss, dass es auf der Venus bislang unbekannte photochemische Reaktionen gibt oder dass das Phosphin in der Atmosphäre ein Zeichen irgendeiner Art von Leben sein könnte.

Letztere Spekulation machte schnell weltweit Schlagzeilen mit Überschriften wie „Leben auf der Venus“. Wie die New York Times berichtete: „Wissenschaftler wissen, dass Phosphin nur durch biologische Prozesse hergestellt werden kann, daher behaupten sie, dass lebende Organismen die einzige Erklärung für den Ursprung der Chemikalie sind.“

Aber das stimmt nicht.

Die Existenz von Leben in der Atmosphäre der Venus ist auch heute noch, viele Jahre später, höchst umstritten. Die wissenschaftliche Gemeinschaft ist sich nicht einmal darüber einig, ob Phosphin auf der Venus existiert, geschweige denn, dass es ein starker Beweis für außerirdisches Leben ist.

Wie sucht man nach Anzeichen außerirdischen Lebens?

Bildquelle: pixabay

Als sich die Nachricht von der „Existenz von Leben auf der Venus“ weltweit verbreitete, weckte sie bald Zweifel bei akademischen Experten.

Zunächst einmal kann man die natürliche Umgebung der Venus als ein wahres „Fegefeuer“ beschreiben: Die Temperatur der felsigen Oberfläche kann tagsüber bis zu 480 Grad Celsius erreichen, die Atmosphäre ist mit Kohlendioxid gefüllt, es gibt Wolken aus konzentrierter Schwefelsäure und von Zeit zu Zeit kommt es zu schwefelsauren Regenfällen. Wie kann in einer solchen Umgebung Leben über längere Zeit überleben? [2]

Zweitens ist der Phosphingehalt in der Erdatmosphäre zwar sehr gering, er ist jedoch hauptsächlich auf menschliche Aktivitäten, die Freisetzung anaerober Mikroorganismen und photochemische Reaktionen wie die Reduktion und Zersetzung organischer Stoffe zurückzuführen. Im Sonnensystem existiert jedoch auf nicht-biologischem Wege erzeugtes Phosphin in den Turbulenzen der Atmosphären von Saturn und Jupiter: Nachdem es unter den hohen Temperaturen und Druckbedingungen im Inneren des Planeten gebildet wurde, wird es kontinuierlich in die Atmosphäre übertragen. In einem 2021 in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichten Artikel [3] wurde auf Grundlage der Analyse von Daten mehrerer Radioteleskope die These aufgestellt, dass die Phosphide im Mantel der Venus durch aktive explosive vulkanische Aktivität in die Atmosphäre gelangten und mit Schwefelsäure in der Atmosphäre reagierten, wobei Phosphin entstand. Dies erklärt die mögliche nicht-biologische Quelle von Phosphin.

Schließlich kritisierten einige Experten den Umgang des Teams mit der Datenanpassung. Das Team verwendete Detektionsdaten vom Atacama Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), die ALMA-Daten wiesen jedoch ein starkes Rauschen auf, sodass die Forscher eine große Anzahl variabler Modellierungen verwendeten, um das Rauschen zu eliminieren. Andere Experten haben darauf hingewiesen, dass diese recht aggressive Methode zur Datenreparatur wahrscheinlich zu falsch positiven Ergebnissen führt.[4]

Zwei Monate nach der Veröffentlichung des Artikels veröffentlichte das Team durch Bearbeitung auf der Artikelseite eine Erklärung, in der es zugab, dass die Methode der Datenverarbeitung falsch gewesen sei und dass die Datenkalibrierung die Forschungsergebnisse beeinflusst habe [1].

Darüber hinaus stellte das Team von Geronimo Villanueva, einem Planetenastronomen am Goddard Space Flight Center der NASA, die grundlegenden Daten der Studie in Frage. In einem Kommentar an Nature Astronomy wiesen sie darauf hin, dass es sich bei den von den Autoren der Originalarbeit erwähnten Phosphin-Absorptionslinien in Wirklichkeit um Schwefeldioxidgas handeln könnte, aus dem die Wolkenschicht der Venus besteht[5]. Daher ist es noch immer umstritten, ob es sich bei dem, was das Team in seiner ursprünglichen Studie entdeckte, um Phosphin handelt, und es bedarf weiterer Beobachtungen und Analysen, ganz zu schweigen davon, ob dieses Gas ein starker Beweis für die Existenz außerirdischen Lebens auf unserem „freundlichen Nachbarn“ ist.

Warum also sind Wissenschaftler so besorgt über die Zusammensetzung der Planetenatmosphären?

Zunächst müssen wir verstehen, wie Wissenschaftler nach außerirdischem und sogar extrasolarem Leben suchen. Bei den Planeten unseres Sonnensystems können wir auch Fernerkundungsbeobachtungen durch Teleskope durchführen oder Sonden und Lander starten, um „Felduntersuchungen“ durchzuführen und nach Hinweisen auf Leben zu suchen. Um jedoch weit entfernte Exoplaneten in Lichtjahren Entfernung zu finden, besteht das wichtigste oder sogar einzige Mittel derzeit im Wesentlichen darin, verschiedene große astronomische Teleskope an Land oder im Weltraum für Fernerkundungsbeobachtungen einzusetzen, zunächst Exoplaneten mit Atmosphären zu finden und dann die Zusammensetzung ihrer Atmosphären zu analysieren.

Insbesondere wenn ein Planet in einer Galaxie vor seinem Mutterstern kreist, durchdringt das vom Stern ausgesandte Licht die Atmosphäre des Planeten, und Astronomen können die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten anhand der Veränderungen der Lichtfarbe zu diesem Zeitpunkt erkennen. Da das Sternenlicht aus vielen verschiedenen Farben besteht (wie in Abbildung 1 unten gezeigt) und die Moleküle in der Atmosphäre des Planeten bestimmte Farbspektren des Sternenlichts absorbieren können, wird das kontinuierliche Sternenspektrum intermittierend (wie in Abbildung 2 unten gezeigt). Große Teleskope wie das James Webb Space Telescope (JWST) werden in der Lage sein, fehlende Spektren zu erkennen und so den Astronomen dabei zu helfen, auf die Zusammensetzung der Planetenatmosphären zu schließen.

Abbildung 1: Das kontinuierliche Spektrum des Sternenlichts

Abbildung 2: Nachdem Sternenlicht von verschiedenen Molekülen in der Atmosphäre eines erdähnlichen Planeten absorbiert wurde, entsteht ein diskontinuierliches Spektrum.

Nachdem die Wissenschaftler die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt haben, verfolgen sie weiter die Quelle dieser Gase, um festzustellen, ob sie aus biologischen oder nicht-biologischen Aktivitäten stammen, und um schließlich festzustellen, ob es auf dem beobachteten Planeten Anzeichen von Leben geben könnte. Selbst die primitivsten und einfachsten Aktivitäten des Lebens reichen aus, um Menschen zu inspirieren.

Im letzten Stadium wird ein Biomarker zu einem grundlegenden, aber umfassenden Indikator für das Vorhandensein oder Fehlen von Lebenszeichen. Die Erde ist der einzige Planet, von dem die Wissenschaft weiß, dass er Leben beherbergt, und ist daher zum einzigen Maßstab für die Suche nach außerirdischem Leben geworden. Als Biomarker kann jeder materielle Bestandteil früherer oder gegenwärtiger biologischer Produkte gelten. Zum Beispiel Sauerstoff. Die große Menge an stabilem Sauerstoff auf der Erde ist das Ergebnis der kontinuierlichen Produktion durch biologische Photosynthese. und Methan. Der größte Teil des Methans auf der Erde wird durch biologische Aktivitäten erzeugt und ist ein Produkt menschlicher industrieller Aktivitäten [6, 7].

Unsicherheit von Biomarkern

Bestätigt das Auffinden von Biomarkern jedoch das Vorhandensein von Lebenszeichen?

Die Dinge sind nicht einfach. Aus der Perspektive des Universums ist selbst die Situation auf der uns so nahen Venus schwer zu beurteilen, geschweige denn die Exoplaneten, die mehrere Lichtjahre von uns entfernt sind.

Wenn Wissenschaftler auf einem Exoplaneten ein mutmaßliches Biomarkergas entdecken, verwenden sie eine statistische Methode namens Bayessche Inferenz, um die Wahrscheinlichkeit der Existenz von Leben anhand von drei Hauptwahrscheinlichkeiten zu berechnen, von denen zwei für die Biologie relevant sind und mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sind: Die erste Wahrscheinlichkeit ist die Wahrscheinlichkeit der Existenz von Leben unter Berücksichtigung aller bekannten Informationen über den Planeten; Die zweite ist eine a priori-Wahrscheinlichkeit, bei der angenommen wird, dass auf dem Planeten Leben existiert. Anschließend wird die Wahrscheinlichkeit erkennbarer Lebenssignale auf der Grundlage unseres aktuellen Hintergrundwissens in der Planetenwissenschaft berechnet.

Die dritte Wahrscheinlichkeit betrifft die Möglichkeit, dass ein lebloser Planet erkennbare Lebenssignale erzeugt. In den letzten Jahren haben immer mehr Forscher erkannt, dass genau dies die große Herausforderung ist, vor der sie stehen.

Abbildung 3: Astrobiologen verwenden Bayes'sches Denken, um die Wahrscheinlichkeit von Leben auf einem Exoplaneten zu berechnen, P(Leben|D,C), wobei sie drei Hauptwahrscheinlichkeiten als Parameter verwenden:

P(D|C, Leben): Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Leben unter Berücksichtigung aller bekannten Informationen über den Planeten: Daten (DATEN) und Hintergrundwissen der Planetenwissenschaften (KONTEXT).

P(Leben|C): Die „vorherige“ Wahrscheinlichkeit, dass ein Planet nachweisbare Lebenssignale erzeugen könnte, angesichts unseres derzeitigen Hintergrundwissens in der Planetenwissenschaft, vorausgesetzt, dass auf dem Planeten Leben existiert.

P(kein Leben|C) : Die Wahrscheinlichkeit, dass ein lebloser Planet erkennbare Lebenssignale erzeugt

Quelle: 10.1089/ast.2017.1737[8]

Im vergangenen Jahr veröffentlichten Cole Mathis, Astrobiologe an der Arizona State University, und Harrison Smith vom Earth-Life Science Institute des Tokyo Institute of Technology einen Artikel in BioEssays[9], in dem sie die größte Schwierigkeit bei der Identifizierung von Biomarkern auf Exoplaneten diskutierten, nämlich die Unterscheidung zwischen biologischen und nicht-biologischen Prozessen. Da in vielen anderen Studien Biomarker vorgeschlagen wurden, die auch in nicht-biologischen Systemen auftreten könnten und zu falsch positiven Ergebnissen bei Lebenszeichen führen, ist es wichtig, eindeutige Biomarker identifizieren zu können, die nur bei biologischer Aktivität auftreten.

Eng verwandt mit der dritten Art der Wahrscheinlichkeit ist die Theorie der „unvorstellbaren Alternativen“[10], die von Peter Vickers, einem Wissenschaftsphilosophen an der Universität Durham, vorgeschlagen wurde. Einfach ausgedrückt: Ob es um die Geologie und chemische Umgebung von Exoplaneten oder um extrasolares Leben geht, es gibt tatsächlich viele Rätsel, die darauf warten, gelöst zu werden. Selbst wenn also die Anwesenheit eines bestimmten Gases nachgewiesen wird, wie können Wissenschaftler sicher sein, dass alle möglichen nicht-biologischen Quellen ausgeschlossen wurden, bevor sie feststellen, dass es sich um einen Biomarker biologischen Ursprungs handelt?

„Wir erforschen ständig neue Ideen. Es mag nicht-biologische Quellen geben, aber daran haben wir noch nicht gedacht“, sagte Vickers. Dies ist die unerwartete alternative Erklärung in der Astrobiologie. Wir können nicht verantwortungsvoll behaupten, dass sie völlig unmöglich sei. Die Wahrscheinlichkeit liegt zwischen 0 und 1. Alles ist möglich.[11]

Das Webb-Weltraumteleskop der NASA wurde 2021 gestartet und sendete während seines Betriebs Daten zur atmosphärischen Zusammensetzung des Exoplaneten K2-18 b. Manche Leute interpretieren es als ein mögliches Lebensphänomen, es gibt jedoch auch Kontroversen. K2-18 b ist 120 Lichtjahre von der Erde entfernt. Seine Größe liegt zwischen der der Erde und der des Neptun. Er gilt als „Supererde“ und umkreist den roten Zwergstern K2-18 innerhalb der bewohnbaren Zone. Im Jahr 2023 zeigten Daten des Webb-Weltraumteleskops das Vorhandensein statistisch schwacher Spuren von Dimethylsulfid (DMS) in der Atmosphäre des Planeten.[12] Auf der Erde produziert das Meeresleben DMS, was die Forscher zu der Erklärung veranlasste, dass der Planet eine „Wasserwelt“ mit einer bewohnbaren Meeresoberfläche sein könnte.

Andere Wissenschaftler haben jedoch eine andere Erklärung für dieselben Gase gegeben: Diese atmosphärische Zusammensetzung könne ebenfalls beweisen, dass es sich um einen Gasplaneten ähnlich dem Neptun handele und dieser nicht bewohnbar sei.

Vickers‘ Theorie der „unerwarteten alternativen Erklärungen“ hat Astrobiologen wiederholt dazu gezwungen, ihre Ansichten darüber zu revidieren, welche Substanzen eindeutige und geeignete Biomarker sind. Sowohl der oben erwähnte Sauerstoff als auch das Phosphin sind mit Unsicherheiten behaftet. Bis in die 2010er Jahre galt Sauerstoff als starkes Biosignaturgas, doch Forscher, darunter Victoria Meadows vom Astrobiology Institute der NASA, begannen Wege zu entdecken, wie Gesteinsplaneten Sauerstoff ansammeln können, ohne eine Biosphäre zu besitzen, etwa durch die Bildung von Schwefeldioxid, das auf der Venus und Europa in großen Mengen vorkommt.

Solange nicht alle nicht-biologischen Quellen ausgeschlossen werden können, kann der Fund eines einzelnen sogenannten „Biosignatur“-Gases nicht mit einem Lebenszeichen gleichgesetzt werden.

Kombiniertes Gas erhöht die Sicherheit

Tatsächlich haben Astrobiologen die Idee, nur ein einziges Gas als Biomarker zu verwenden, weitgehend aufgegeben. Stattdessen konzentrieren sie sich auf die Identifizierung von „Ensembles“ oder Gasgruppen, die ohne Leben nicht koexistieren können, um die Sicherheit der Biomarker zu erhöhen und ihre Verbindung mit Lebenszeichen zu stärken.

Wenn es heute etwas gibt, das man als Goldstandard für Biomarker bezeichnen kann, dann ist es eine Kombination aus Sauerstoff- und Methangasen. In einer sauerstoffreichen Atmosphäre zersetzt sich Methan schnell. Diese beiden Gase können auf der Erde koexistieren, da die Biosphäre kontinuierlich Sauerstoff und Methan liefert.

Bislang haben Wissenschaftler keine abiotische Erklärung für den Sauerstoff-Methan-Biomarker gefunden. Doch Vickers, Smith und Mathis bleiben vorsichtig skeptisch, ob dieses Gaspaar (oder irgendein anderes Gasgemisch) jemals völlig überzeugende Schlussfolgerungen liefern wird. „Wir können nicht hundertprozentig sicher sein, dass das, was wir sehen, das Produkt biologischer Aktivität ist und nicht das Ergebnis irgendeines abiotischen chemischen Prozesses auf einem unbekannten Planeten“, sagte Smith.

Mathis wies auf eine Einschränkung der Fernerkundungsbeobachtungen hin: „JWST ist kein Lebensdetektor. Es ist ein Teleskop. Es kann uns nur sagen, welche Gase sich in der Atmosphäre des Planeten befinden.“

Doch Sarah Rugheimer, Astrobiologin an der Universität York, ist optimistischer und untersucht aktiv nicht-biologische alternative Erklärungen für kombinierte Biomarker wie Sauerstoff und Methan. Dennoch sagte sie: „Wenn wir auf einem Exoplaneten gleichzeitig Sauerstoff, Methan, Wasser und Kohlendioxid sehen würden, wäre das ein Grund für Champagner.“

Das vom Webb-Teleskop der NASA erhaltene Molekülspektrum der atmosphärischen Bestandteile von K2-18 b umfasst Kohlendioxid, Methan und Dimethylsulfid. Die Frage ist also: Kann eine solche Kombination von Gasen als kombinierter Biomarker verwendet werden, um die Existenz von Leben auf dem Planeten festzustellen? Quelle: NASA

Die Wissenschaft etabliert einheitliche Standards?

Angesichts der erheblichen Unsicherheiten bei den aktuellen Biomarkern können unterschiedliche Meinungen und Interpretationen eines bestimmten Testergebnisses durch verschiedene Experten in der akademischen Gemeinschaft zu unterschiedlichen öffentlichen Meinungen führen und auch das Vertrauen der Öffentlichkeit in die Wissenschaft untergraben. Da sich das Lebensereignis auf der Venus im Jahr 2021 seinem Höhepunkt nähert, rufen NASA-Manager und Wissenschaftler die Astrobiologie-Gemeinschaft dazu auf, Standards für die Identifizierung von Biomarkern festzulegen.

Im Jahr 2022 organisierten Hunderte von Astrobiologen einen Online-Workshop, um dieses Thema zu diskutieren und einen gemeinsamen Rahmen für die Biomarker-Bewertung zu entwickeln[13]. Der Rahmen besteht aus fünf Fragen, die die Kommunikation zwischen verschiedenen Disziplinen innerhalb der Astrobiologie und der Öffentlichkeit erleichtern sollen:

Haben Sie ein echtes Signal erkannt?

Haben Sie das Signal vollständig bestätigt?

Haben Ihre Testergebnisse einen biologischen Ursprung?

Ist es möglich, dass Leben in einer solchen Umgebung solche Signale ausdrückt?

Gibt es unabhängige Beweise, die eine biologische (oder abiotische) Erklärung stützen?

Trotzdem gibt es in der Wissenschaft noch immer keine offiziellen Standards oder gar Definitionen für Biomarker.

Vickers ist jedoch der Ansicht, dass die Forschung trotz der Unsicherheit fortgesetzt werden sollte. In einem aufstrebenden Bereich wie der Astrobiologie kommt es nicht selten vor, dass man in eine Sackgasse gerät und von vorne beginnen muss. Das mutige Vorschlagen verschiedener Biomarker kann Wissenschaftler dazu motivieren, aktiv nach unerwarteten nicht-biologischen Erklärungen zu suchen und diese zu überprüfen, um verschiedene mögliche falsch positive Ergebnisse auszuschließen.

Nach dem Aufruhr über den Venus-Lebensvorfall haben sich die akademischen Experten beruhigt und denken über die nächste Forschungsrichtung nach.

Clara Sousa-Silva, Astrochemikerin am Bard College in den USA, ist Expertin für Phosphin und hat auch an der Erforschung der Atmosphäre der Venus teilgenommen. Für sie ist es an der Zeit, unsere freundliche Nachbarin Venus noch einmal zu überdenken. Die große Kontroverse um Biomarker hat Wissenschaftler dazu veranlasst, neue Forschungsprojekte zu starten. Dabei geht es nicht nur darum, nicht-biologische Phosphinquellen zu entdecken und auszuschließen, sondern auch darum, strengere Bewertungskriterien für die präzise Erforschung von Lebenszeichen auf Exoplaneten in der Zukunft bereitzustellen.

Verweise

[1] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1174-4

[2]https://piyao..cn/h5/rumordetail?id=qpjX

[3]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2021689118

[4] https://www.cas.cn/kj/202011/t20201119_4767449.shtml

[5] https://www.nature.com/articles/s41550-021-01422-z

[6]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%9F%E5%91%BD%E5%8D%B0%E8%BF%B9

[7]https://www.zhihu.com/question/421069854/answer/1477780574

[8]https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2017.1737

[9]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bies.202300050?af=R

[10]https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2022.0084

[11] https://www.quantamagazine.org/doubts-grow-about-the-biosignature-approach-to-alien-hunting-20240319/

[12]https://www.nasa.gov/universe/exoplanets/webb-discovers-methane-carbon-dioxide-in-atmosphere-of-k2-18-b/

[13]https://nap.nationalacademies.org/read/26621/chapter/4#8

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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