Biosignaturen im All erkennen Spurensuche auf Saturnmond: Woher stammen die organischen Moleküle?

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Bereits 2018 wies die Raumsonde Cassini große organische Moleküle auf dem Saturnmond Enceladus nach. Seitdem rätseln Forscher, woher diese Moleküle stammen und ob sie auf extraterrestrische Lebensformen hindeuten. Nun haben Wissenschaftler neue Methoden erprobt, um den Ursprung der Biomoleküle zu prüfen.

Wie wurde aus einem kargen Gesteinsplanet ein artenreiches Habitat? Die Wiege des Lebens auf der Erde befand sich vermutlich in einem Heißwasser-Schlot auf dem Grund des Ozeans. „In der Forschung sprechen wir auch von einem Hydrothermal-Feld“, erklärt Dr. Nozair Khawaja vom Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart. „Es gibt gute Hinweise darauf, dass in solchen Feldern Bedingungen herrschen, die für die Entstehung oder Aufrechterhaltung einfacher Lebensformen wichtig sind.“

Möglicherweise gibt es derartige Schlote auch auf einem Himmelskörper, der nach kosmischen Maßstäben nicht weit von unserem Heimatplaneten entfernt ist: dem Saturnmond Enceladus. Der Trabant misst ungefähr 500 Kilometer im Durchmesser, seine Oberfläche ist mit einer 30 Kilometer dicken Hülle aus Eis bedeckt. Im Jahr 2005 entdeckten Wissenschaftler über seinem Südpol eine riesige Wolke aus Eispartikeln. Drei Jahre später durchflog die NASA-Raumsonde Cassini diese Wolke. Die Messinstrumente der Sonde offenbarten Erstaunliches: Die Zusammensetzung der Partikel deutete mit großer Sicherheit darauf hin, dass unter Enceladus‘ Eisdecke ein Ozean aus flüssigem Wasser vorhanden sein muss – und damit eine essenzielle Zutat für einfache Biomoleküle.

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Falls Saturns Eismond Leben ausdünstet, finden wir es

Das Meer auf Saturnmond Enceladus enthält organische Moleküle

Geowissenschaftler Khawaja hat die Daten der Cassini-Mission zusammen mit dem Planetologen Prof. Frank Postberg von der Freien Universität (FU) Berlin genauer analysiert. „In den Jahren 2018 und 2019 sind wir dabei auf verschiedene organische Moleküle gestoßen, darunter auch solche, die typischerweise Bausteine biologischer Verbindungen sind.“

Die Daten wurden mit einem niedrig auflösenden Messinstrument von Cassini aufgezeichnet. Dennoch könnten sie darauf hindeuten, dass der Ozean auf dem Saturnmond Enceladus voll von organischen Molekülen ist. „Und das bedeutet möglicherweise, dass dort chemische Reaktionen ablaufen, die irgendwann zu Leben führen könnten.“

Simuliertes Hydrothermalfeld in Berliner Labor

Ein Ozean allein ist aber noch keine Keimzelle für Leben. Dafür braucht es besondere Bedingungen, wie sie z. B. in Hydrothermalfeldern vorherrschen. Forschende vermuten, dass auch auf dem Grund des Enceladus-Meeres solche Felder existieren. Unklar war bislang, ob die entdeckten organischen Moleküle in diesen Feldern entstanden sind. Khawaja hat nun zusammen mit seinen Mitarbeitenden Lucia Hortal und Thomas Sullivan nach einer Möglichkeit gesucht, diese Frage zu beantworten. „Dazu haben wir an der FU Berlin im Labor die Parameter eines möglichen Hydrothermalfelds auf Enceladus simuliert“, sagt der Geowissenschaftler, der gerade von der FU Berlin an die Universität Stuttgart gewechselt ist. „Dann haben wir untersucht, welche Auswirkungen diese Bedingungen auf eine einfache Kette von Aminosäuren haben.“ Aminosäuren sind die Grundbausteine von Proteinen und die Basis sämtlichen irdischen Lebens.

In der Testapparatur herrschten Temperaturen von 80 bis 150 Grad Celsius und ein Druck von 80 bis 100 bar – etwa hundertmal höher als auf der Erdoberfläche. Unter diesen extremen Verhältnissen veränderten sich die Aminosäureketten mit der Zeit auf charakteristische Weise. Doch lassen sich diese Änderungen mit den Messinstrumenten auf Raumsonden überhaupt nachweisen? Anders gefragt: Hinterlassen sie eine unverwechselbare Signatur, die man in den Daten von Cassini (oder auch künftiger Raummissionen) finden könnte?

Spuren von Hydrothermalfeldern in Messdaten erkennen

Das Messinstrument an Bord der Cassini-Raumsonde, der so genannte Cosmic Dust Analyzer, analysiert Staub- und Enceladus-Eispartikel im All, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 20 Kilometern pro Sekunde unterwegs sind – also 72.000 km/h schnell. Der High-Speed-Crash führt dazu, dass das Material verdampft und die Moleküle in ihm zertrümmert werden. Die Bruchstücke verlieren dabei Elektronen und werden als positiv geladene Ionen in einem Massenspektrometer identifiziert. So lassen sich Rückschlüsse auf das Ursprungsmolekül ziehen.

Im Labor lässt sich diese Messmethode nur mit großem Aufwand anwenden. „Wir haben stattdessen erstmals für Eispartikel, die hydrothermal verändertes Material enthielten, eine alternative Messmethode namens LILBID genutzt“, erklärt Khawaja. „Sie liefert ganz ähnliche Massenspektren wie das Cassini-Instrument. Damit haben wir unsere Aminosäurekette vor und nach dem Versuch vermessen und sind auf charakteristische Signale gestoßen, die durch die Reaktionen in unserem simulierten Hydrothermalfeld hervorgerufen wurden.“

Die Forschenden werden dieses Experiment nun mit weiteren organischen Molekülen unter erweiterten geophysikalischen Bedingungen wiederholen, wie sie im Enceladus-Ozean vermutet werden. Ihre Ergebnisse ermöglichen es, die Cassini-Daten (oder auch die Daten künftiger Missionen) auf solche Signaturen zu durchforsten. Falls man sie findet, wäre das ein weiterer Hinweis auf die Existenz eines Hydrothermalfeldes auf Enceladus. Damit stiege auch die Wahrscheinlichkeit, dass auf Enceladus Leben entstehen und überdauern kann.

Originalpublikation: Nozair Khawaja, Lucía Hortal Sánchez, Thomas R. O’Sullivan, Judith Bloema, Maryse Napoleoni, Fabian Klenner, Andreas Beinlich, Jon Hillier, Timm John and Frank Postberg: Laboratory Characterisation of Hydrothermally Processed Oligopeptides in Ice Grains Emitted by Enceladus and Europa; Phil. Trans. R. Soc. A., Volume 382, Issue 2273, 09 June 2024; DOI 10.1098/rsta.2023.0201.

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