In den von Hayabusa 2 zurückgebrachten Proben wurden Aminosäuren gefunden. Bedeutet das, dass außerirdisches Leben entdeckt wurde?

Kürzlich gab es Nachrichtenberichte, denen zufolge die Asteroidensonde Hayabusa 2 der japanischen Raumfahrtbehörde in Proben, die sie vom Asteroiden Ryugu zur Erde mitgebracht hatte, Aminosäuren entdeckt hatte. Diese Nachricht weckte erneut den brennenden Wunsch der Menschen, Leben außerhalb der Erde zu finden.

Tatsächlich ist die Existenz organischer Materie im Universum nicht ungewöhnlich. Schon vor 50 Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass organische Materie im Universum weit verbreitet ist. Darüber hinaus ist es nach der modernen Theorie vom chemischen Ursprung des Lebens nicht überraschend, dass im Universum weitverbreitete organische Materie vorkommt.

Der Durchbruch besteht diesmal jedoch darin, dass „zum ersten Mal die Existenz von Aminosäuren außerhalb der Erde bestätigt wurde.“ Mit anderen Worten: Dies ist das erste Mal, dass Menschen auf eigene Faust Asteroidenproben im Weltraum geborgen und darin Aminosäuren entdeckt haben. Es ist jedoch nicht das erste Mal, dass wir Aminosäuren außerhalb der Erde entdeckt haben.

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Seien Sie nicht überrascht, organische Materie ist im Universum weit verbreitet

Im Jahr 1969 fiel in der Nähe von Murchison im australischen Bundesstaat Victoria ein heller Feuerball vom Himmel. Es zerbrach in drei große Fragmente und unzählige kleinere Stücke, bevor es herunterfiel. Auf einer Fläche von 13 Quadratkilometern sammelten die Menschen mehr als 100 Kilogramm Meteoritenfragmente ein, die beiden größten wogen 7 Kilogramm bzw. 680 Gramm. Diese Meteoriten wurden Murchison-Meteoriten genannt.

Murchison-Meteorit Bildquelle: Wikipedia

Seit 1971 untersuchen Wissenschaftler die chemische Zusammensetzung des Murchison-Meteoriten und entdeckten, dass der Meteorit Aminosäuren enthält. Es gibt mehr als 70 Arten von Aminosäuren, darunter Glycin, Alanin, Glutaminsäure, Isovalin, Pseudoleucin usw. Da Aminosäuren eine der notwendigen organischen Substanzen sind, aus denen Leben besteht, hat diese Entdeckung das fanatische Interesse der Wissenschaftler an der Suche nach außerirdischem Leben geweckt. In den folgenden Jahrzehnten fanden sie in anderen Meteoriten, die auf die Erde fielen, eine Vielzahl von Aminosäuren und anderen chemischen Vorläufern, die für die Entstehung vielfältigen Lebens notwendig sind.

Zu diesen Chemikalien gehören verschiedene Aminosäuren, Polyole, Nukleobasen (Purin, Pyrimidin usw.), aromatische Verbindungen usw. In den Jahren 2009 und 2015 entdeckten die Kometensonden der NASA und der ESA eine Vielzahl organischer Verbindungen in Kometen. Im Februar 2020 behaupteten Wissenschaftler sogar, in den Meteoriten Acfer 086 und Allende ein Protein gefunden zu haben, das Eisen und Lithium enthält [1] (umstritten).

Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie suchen Wissenschaftler nicht nur nach organischer Materie in Meteoriten, sondern verwenden auch mit Spektrometern ausgestattete Teleskope, um die Spektren verschiedener organischer Materie in Nebeln, Molekülwolken und kosmischem Staub im Universum zu beobachten, wie etwa polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Fullerene, aromatisch-aliphatische gemischte organische Materie, Acetaldehydalkohol usw. Es gibt Hunderte Arten dieser organischen Substanzen.

Diesen Erkenntnissen zufolge ist organische Materie, einschließlich Aminosäuren, im Universum tatsächlich weit verbreitet.

Warum gibt es im Universum so viele organische Substanzen?

Dies ist eigentlich eine natürliche chemische Reaktion. NASA-Wissenschaftler glauben, dass diese chemische Reaktion Milliarden von Jahren nach der Entstehung des Universums begann. Es trat häufig nach dem Erscheinen von Sternen in einem Nebel und vor dem Erscheinen von Planeten auf. Die Kohlenstoffelemente im Nebel begannen unter der Einwirkung kosmischer Strahlung und Sterne polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe zu bilden. Dies war der Beginn der Entstehung aller organischen Materie. PAK sind eigentlich Kohlenstoffringe. Hier sind einige Beispiele:

Naphthalin, schwarz sind Kohlenstoffatome, grau sind Wasserstoffatome. Bildquelle: Wikipedia

Fluoren, dasselbe wie oben. Kurz gesagt sind polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe Kohlenstoffringe, die mehrfach miteinander verbunden sind. Bildquelle: Wikipedia

Neben der Bildung polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) durch chemische Reaktionen um Sterne entstehen auch aliphatische Kohlenwasserstoffe (die Kohlenstoffatome in PAK bilden Ringe, während hier die Kohlenstoffatome Ketten bilden). Unter dem Einfluss verschiedener Atome, Ionen, Moleküle und Strahlung im interstellaren Raum werden sie hydriert, oxidiert und hydroxyliert und wandeln sich so in komplexere organische Substanzen um, beispielsweise in die Vorläufer von Aminosäuren und Nukleotiden [2].

Nachdem diese Verbindungen im Weltraum entstanden sind, heften sie sich an verschiedene felsige oder eisige Asteroiden und schweben durch das Universum. So stammen die Aminosäuren in den verschiedenen Meteoriten, die wir heute auf der Erde finden, sowie die Proben des Asteroiden Ryugu, die Hayabusa 2 mitgebracht hat.

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Außerirdische Aminosäuren entdeckt. Wie weit sind wir von außerirdischem Leben entfernt?

Wenn es in den großen Naturkundemuseen oder Wissenschafts- und Technikmuseen um den Prozess der Lebensentstehung geht, wird immer zuerst ein Versuchsgerät ausgestellt: das Miller-Experiment. Ammoniak, Methan, Wasserstoff, Wasser, Kohlendioxid und andere Gase werden in einer Flasche unter kontinuierlicher Entladung erhitzt, und durch Abkühlung entstehen Aminosäuren in der Flüssigkeit. In nachfolgenden Experimenten gewannen die Menschen verschiedene für die Entstehung von Leben notwendige Substanzen wie Peptide, Ribose und Nukleinsäurebasen.

Millers experimentelles Verfahren Bildquelle: Wikipedia

Das Miller-Experiment simuliert den chemischen Evolutionsprozess auf der Erde, und worüber wir zuvor gesprochen haben, war der chemische Evolutionsprozess im Universum. All dies hat bewiesen, dass in der Natur, sei es auf der Erde oder im Universum, auf natürliche Weise chemische Reaktionen stattfinden, bei denen organische Materie entsteht. Doch tatsächlich ist dies nur der erste Schritt zur Geburt des Lebens und noch weit vom wirklichen Leben entfernt.

Danach folgen drei weitere Schritte: Kleine organische Moleküle werden zu organischen Makromolekülen zusammengesetzt; organische Makromoleküle werden dann zu multimolekularen Systemen zusammengesetzt; und multimolekulare Systeme werden miteinander verbunden (dies ist ein entscheidender Schritt, der wichtigste davon ist die Bildung des Zellmembransystems und das Eindringen von Nukleinsäuren in die Membran). Von den Aminosäuren bis zum Leben ist es also noch ein weiter Weg.

Bildquelle: Referenz [3]

Darüber hinaus veranschaulichen diese Aminosäuren zwar die weitverbreitete Existenz organischer Materie im Weltall, doch ist es in Wirklichkeit schwierig, dass der Weltraum eine ausreichend stabile Umgebung für die Entstehung von Leben bietet. Denn Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Konfiguration der in Meteoriten gefundenen Aminosäuren nicht mit der der Aminosäuren übereinstimmt, aus denen Leben besteht.

Erstens gibt es Unterschiede in der Molekularstruktur zwischen Meteoriten und derselben organischen Materie auf der Erde. Viele von ihnen sind Isomere (gleiche Molekülformel, unterschiedliche Struktur)[4]

Schematische Darstellung der Trichlorbiphenyl-Isomere. Bildquelle: Wikipedia

Zweitens gibt es Unterschiede in der Chiralität zwischen Aminosäuren aus Meteoriten und denen auf der Erde. Was ist Chiralität? Sie können es verstehen, indem Sie ein kleines Experiment durchführen. Heben Sie Ihre linke und rechte Hand, sodass die Handflächen aufeinander liegen. Wenn Sie jedoch Ihre Handflächen nach unten legen und Ihre linke und rechte Hand zusammenlegen, werden Sie feststellen, dass sie nicht mehr zusammenpassen. Das ist Chiralität. Die Aminosäuren auf der Erde haben nur linkshändige Strukturen, aber die Aminosäuren in Meteoriten haben sowohl linkshändige als auch rechtshändige Strukturen[4].

Chiralität von Aminosäuren Bildquelle: Wikipedia

Die dritte Frage ist, ob im chemischen Evolutionsprozess der Lebensentstehung möglicherweise mehr organische Materie erforderlich ist. Können diese Meteoriten genügend organische Materie für die Entwicklung des Lebens liefern? Nur auf größeren Planeten wie der frühen Erde konnte es eine stabile hydrothermale Umgebung geben, in der die chemische Evolution weitergehen konnte.

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Gibt es außerirdisches Leben?

Im Jahr 2017 entdeckten Wissenschaftler an der Küste von Quebec, Kanada, einige mikrobielle Fossilien. Bei diesen Mikroorganismen handelte es sich um thermophile Bakterien, die damals in der Nähe der hydrothermalen Tiefseequellen auf der Erde lebten [5]. Diese Entdeckung wurde in Nature veröffentlicht.

Foto fossiler Mikroorganismen auf der frühen Erde. Bildquelle: Referenz [5]

Es wird geschätzt, dass sie vor 3,77 bis 4,22 Milliarden Jahren lebten. Was bedeutet das? Zu dieser Zeit war die Erde erst etwa 300 bis 800 Millionen Jahre alt und durchlebte eine sehr grausame Zeit: die Zeit des schweren Bombardements. Während der Zeit des schweren Bombardements wurde die Erde häufig von Asteroiden bombardiert. Es wird geschätzt, dass sich das Volumen der Erde in diesem Zeitraum aufgrund des intensiven Asteroidenbombardements um etwa 10 % vergrößert hat.

Bildnachweis: NASA

Trotz dieser rauen Umgebung entstand auf der Erde schnell Leben.

Auch wenn unsere jüngsten Entdeckungen organischer Materie auf Meteoriten nicht beweisen konnten, dass das Leben auf der Erde außerirdischen Ursprungs ist, verdeutlichen sie doch eines: Organische Materie ist im Weltraum relativ häufig und kann, sofern die Bedingungen stimmen, verschiedene organische Materien bilden. Darüber hinaus können wir eine kleine Spekulation anstellen: Solange es einen bewohnbaren Planeten wie die Erde gibt, ist die Wahrscheinlichkeit der Existenz von Leben sehr hoch, oder, radikaler ausgedrückt: Es muss außerirdisches Leben geben.

Daher berücksichtigen Wissenschaftler bei der Erforschung außerirdischen Lebens zunächst den Faktor der bewohnbaren Zone. Innerhalb der bewohnbaren Zone kann das Wasser auf dem Planeten in flüssiger Form existieren. Dieses flüssige Wasser kann zweifellos eine stabile Umgebung für die chemische Evolution und einen Lebensraum für primitives Leben bieten.

Die bewohnbaren Zonen verschiedener Sterne. Große, heiße Sterne haben weitreichende und breite bewohnbare Zonen, während kleine, kalte Sterne enge und schmale bewohnbare Zonen haben. Bildquelle: NASA

Für unsere derzeitige Technologie sind diese Exoplaneten jedoch zu weit entfernt. Anstatt mit großem Aufwand nach Leben auf Exoplaneten zu suchen, ist es besser, jetzt innerhalb des Sonnensystems nach außerirdischem Leben zu suchen. Ein Ort im Sonnensystem mit einer größeren Chance, Leben zu entdecken, ist der Mars, der sich am äußeren Rand der bewohnbaren Zone des Sonnensystems befindet. Obwohl der See inzwischen ausgetrocknet ist, gab es dort laut wissenschaftlichen Untersuchungen vor drei Milliarden Jahren tatsächlich Oberflächenwasser. Es gibt immer noch Grundwasser und unterirdische Seen und am Nord- und Südpol gibt es sogar riesige Eisflächen.

Bildquelle: Referenz [6]

Vergleicht man die Evolutionsgeschichte der Erde und des Mars, stellt man fest, dass es gemäß der Theorie der chemischen Evolution sehr wahrscheinlich Leben auf dem Mars gibt. Allerdings ist diese Lebensform noch relativ primitiv und könnte uraltes Leben sein, ähnlich wie Bakterien und Archaeen auf der Erde.

Bildquelle: Selbst gemacht

Möglicherweise gibt es irgendwo auf dem Mars noch Leben, und dafür können wir von der Erde aus Beweise finden. Seit 1970 haben Wissenschaftler zahlreiche Mikroorganismen entdeckt, die in extremen Umgebungen auf der Erde leben, darunter extreme Thermophile, Psychrophile, Halophile, Acidophile, Alkaliphile usw. Mikroorganismen existieren sogar in Felsspalten mehr als zehn Kilometer unter der Erde, wo es kein Licht, extreme Temperaturen und extremen Druck gibt. Diese extremen Mikroorganismen erweitern das Spektrum des Lebens und geben Anlass zu der Annahme, dass es auf dem Mars noch Leben gibt.

Die Archaeen auf der Erde sehen aus wie diese Organismen, und wenn es Leben auf dem Mars gibt, könnte es diesen Organismen ähneln. Bildquelle: Wikipedia

Autor: Gravity

Hersteller: China Science Expo

Quellen:

[1]McGeoch M, Dikler S, McGeoch JE M. Hemolithin: ein meteoritisches Protein, das Eisen und Lithium enthält[J]. arXiv-Vorabdruck arXiv:2002.11688, 2020.

[2]Gudipati, Murthy S.; Yang, Rui (1. September 2012). „In-Situ-Untersuchung der strahlungsinduzierten Verarbeitung organischer Stoffe in astrophysikalischen Eisanaloga – Neuartige Laserdesorptions-Laserionisations-Flugzeit-Massenspektroskopische Studien“.The Astrophysical Journal Letters.756(1): L24.Bibcode:2012ApJ...756L..24G.doi:10.1088/2041-8205/756/1/L24.

[3] Jiang Nan. Synthese von Aminosäuren vor der Entstehung des Lebens[D]. Jilin-Universität, 2013.

[4] Yang Jing, Lin Yangting, Ouyang Ziyuan. Extraterrestrische organische Verbindungen[J]. Earth Science Frontiers, 2014, 21(06): 165-187.

[5]Dodd, M., Papineau, D., Grenne, T. et al. Hinweise auf frühes Leben finden sich in Niederschlägen aus den ältesten hydrothermalen Quellen der Erde. Nature 543, 60–64 (2017).

[6] Zhao Jiannan. Geologische Merkmale alter Seen im südlichen Mars und ihre Auswirkungen auf die paläoklimatische Umwelt [D]. Chinesische Universität für Geowissenschaften, 2017.