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23.07.2024

02.04.2024

Zellmaterial von Bakterien auf einer Raumsonde massenspektrometrisch nachweisen

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Die unterirdischen Ozeane einiger Eismonde von Saturn und Jupiter sind gute Kandidaten für die Suche nach außerirdischem Leben. Eine neue laborbasierte Studie, die größtenteils von Wissenschaftlern der Freien Universität Berlin und der University of Washington in Seattle (USA) durchgeführt wurde, zeigt, dass Leben, wenn es dort welches gibt, nachweisbar ist. Und zwar in einzelnen ausgestoßenen Eisteilchen.

"Wir konnten nun zum ersten Mal zeigen, dass Zellmaterial von Bakterien mit einem Massenspektrometer auf einer Raumsonde nachweisbar ist", betont Dr. Fabian Klenner, der Leiter der Studie. Fabian Klenner ist Postdoc am Department of Earth and Space Sciences der University of Washington, zuvor forschte er an der Freien Universität Berlin. "Unsere Ergebnisse zeigen zunehmend, dass zukünftige Instrumente in der Lage sind, auf Eismonden winzige Lebensformen aufzuspüren, die denen ähneln, die wir von der Erde kennen."

Die Cassini Mission, die bis 2017 im Saturnsystem operierte, hatte in der Nähe des Südpols des eisigen Saturnmondes Enceladus nahezu parallele Risse entdeckt. Aus diesen Rissen strömen Gase und Eispartikel in das Weltall, die von dem unterirdischen Ozean des Mondes stammen. Europa, ein Eismond von Jupiter, wird bald detailliert von Instrumenten auf NASA's Europa Clipper Raumsonde untersucht werden. Start der Mission ist für Oktober diesen Jahres vorgesehen.

In Vorbereitung auf diese und andere zukünftige Missionen untersuchen Forschende, was moderne Instrumente auf den Eismonden finden könnten. Aufgrund der hohen relativen Geschwindigkeiten der Eisteilchen zur Raumsonde, ist es sehr schwierig, Einschläge von einzelnen Eisteilchen auf Massenspektrometer zu simulieren.

Die Forschenden haben stattdessen ein Experiment an der Freien Universität Berlin genutzt. Mit dem Versuchsaufbau haben die Forschenden einen dünnen Wasserstrahl in eine Vakuumkammer injiziert. Der Wasserstrahl zerfällt in winzige Tröpfchen, die dann mit einem Laser beschossen wurden. Die durch den Laserbeschuss entstandenen geladenen Teilchen wurden in einem Massenspektrometer im Labor untersucht, um vorherzusagen, was Instrumente auf Raumsonden detektieren würden.

Die neu veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass Instrumente, die für zukünftige Raumsonden vorgesehen sind, Zellmaterial aufspüren können. Und das funktioniert sogar, wenn das Zellmaterial in nur sehr wenigen einzelnen Eisteilchen vorhanden wäre. Ein Instrument, das diese Fähigkeit besitzt, ist der SUrface Dust Analyzer auf Europa Clipper.

Für ihre Studie verwendeten die Forschenden Sphingopyxis alaskensis, ein Bakterium, das in Gewässern von Alaska vorkommt. Im Vergleich zu Escherichia coli, einem gängigen Modellorganismus für Studien auf der Erde, leben die viel kleineren S. alaskensis Bakterien in kalter Umgebung und können mit nur wenigen Nährstoffen auskommen. Aufgrund all dieser Eigenschaften ist dieser Organismus womöglich ein geeigneterer Kandidat für potenzielles Leben auf einem Eismond. "Die Bakterien sind extrem klein, sodass sie theoretisch in die ausgestoßenen Eisteilchen passen", erläutert Fabian Klenner.

Von früheren Studien ist bekannt, dass verschiedene Substanzen in einem unterirdischen Ozean in einzelnen Eisteilchen getrennt ausgestoßen werden. Die neue Studie zeigt, dass die Analyse einzelner Eisteilchen deutlich vorteilhafter ist, um mögliches Leben zu identifizieren, als zuerst Milliarden von Eisteilchen zu sammeln und alle gemeinsam zu analysieren.

In einer weiteren Studie, die von den gleichen Wissenschaftlern angeleitet wurde, wurden kürzlich Phosphate in Enceladus' Ozean nachgewiesen. Enceladus hat somit genügend Energie, Wasser, Phosphate und andere Salze, sowie kohlenstoffbasiertes organisches Material, was es zunehmend wahrscheinlicher macht, dass der Mond lebensfreundliche Bedingungen für bakterielle Lebensformen wie wir sie von der Erde kennen aufweist.

Die Forschenden vermuten, dass Bakterien, wenn sie eine Lipidmembran besitzen, eine hauchdünne Schicht auf der Oberfläche des Ozeans bilden würden. Ein Prozess, den man von der Erde kennt. Auf einem Eismond, bei dem der Ozean mit der Oberfläche verbunden ist (z.B. durch Risse in der Eiskruste), bringt der Druckunterschied zum Vakuum des Weltalls den kalten Ozean zum Kochen. Zudem platzen Gasblasen, die im Ozean aufsteigen, an der Wasseroberfläche, wodurch Zellmaterial in sich bildende Eisteilchen eingeschlossen werden könnte.

"Wir beschreiben hier ein plausibles Szenario wie Bakterien in Eisteilchen eingeschlossen werden könnten, die sich von flüssigem Wasser auf Enceladus oder Europa bilden und dann in das Weltall ausgestoßen werden", sagt Fabian Klenner. Der SUrface Dust Analyzer auf Europa Clipper hat bessere analytische Fähigkeiten als Instrumente vergangener Missionen. Zudem wird dieses Instrument zum ersten Mal in der Lage sein, negativ geladene Ionen von Einschlägen der Eisteilchen zu detektieren, was vorteilhaft für das Aufspüren möglicher Fettsäuren und Lipide ist.

"Ich finde es sogar etwas spannender, nach Lipiden oder Fettsäuren zu suchen als nach den Bestandteilen von DNA, da Fettsäuren etwas stabiler zu sein scheinen", ergänzt Fabian Klenner. "Mit geeigneten Instrumenten, wie zum Beispiel dem SUrface Dust Analyzer auf NASA's Europa Clipper Raumsonde, könnte es einfacher sein als wir dachten, Spuren von Leben auf einem Eismond zu finden", erklärt Prof. Frank Postberg, Mitautor der Studie. Frank Postberg ist Professor für Planetologie am Institut für Geologische Wissenschaften der Freien Universität Berlin. "Die Voraussetzung ist natürlich, dass es dort Leben gibt und die Lebensformen auch in Eisteilchen eingeschlossen werden, die sich z.B. aus flüssigem Wasser unter der Eiskruste bilden"

Die Studie wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC), der NASA und der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert. Die weiteren Mitautoren sind Janine Bönigk, Dr. Maryse Napoleoni, Dr. Jon Hillier und Dr. Nozair Khawaja von der Freien Universität Berlin, Prof. Karen Olsson-Francis von The Open University in Großbritannien, Dr. Morgan Cable und Dr. Michael Malaska von NASA's Jet Propulsion Laboratory (USA), Prof. Sascha Kempf von der University of Colorado in Boulder (USA) und Prof. Bernd Abel von der Universität Leipzig.

» Originalpublikation

Quelle: Freie Universität Berlin