Exobiologie

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Die Exobiologie, auch Astrobiologie oder Xenobiologie genannt (altgriechische Kunstworte: ἐξωβιολογία, ἀστροβιολογία, ξενοβιολογία, jeweils Komposita aus exo ‚außer, außen‘, astro ‚Stern‘, oder xeno ‚fremd, auswärtig‘ und dem Begriff biologia ‚Lebenskunde‘), ist eine interdisziplinäre Naturwissenschaft, welche die Möglichkeit der Entstehung und Existenz von außerirdischem Leben erforscht und sich mit der allgemeinen Frage von Leben im All beschäftigt (siehe auch: Panspermie).

Die Bezeichnung Astrobiologie stammt von dem Astronomen Otto von Struve und wurde 1995 von der NASA für ihr Astrobiologisches Institut übernommen. Sie ist ursprünglich für den Zugang aus der Astronomie charakteristisch. Im englischsprachigen Bereich hat sich diese Bezeichnung aber seither weitgehend durchgesetzt.

Die Bezeichnung Exobiologie wurde von dem Biologen Joshua Lederberg geprägt, und wird oft von einem biologischen Standpunkt aus benutzt.^[1] Die ESA benutzt diese Bezeichnung bevorzugt und auch die NASA hat nach wie vor einen „Exobiology branch“. Eine weitere Bezeichnung, Kosmobiologie, stammt von dem Physiker John Desmond Bernal, wird aber selten benutzt. 1982 gründete die Internationale Astronomische Union (IAU) eine Forschungskommission Bio-Astronomie (Division III Commission 51 Bio-Astronomy).^[2][3][4]

In den 1950er Jahren befasste sich der Astrophysiker Gavriil Adrianovich Tikhov (1875–1960) in der ehemaligen Sowjetunion mit astrobiologischen Fragen. Tikhov leitete das Institut für Astrobotanik in Almaty das bis 1960 existierte.^[5][6]

Nach Untersteiner (2006) ist die Exobiologie jener interdisziplinäre Wissenschaftszweig, der den Ursprung, die Verbreitung und die Evolution des Lebens im Universum untersucht. Das NASA Astrobiology Institute (NAI) definiert Astrobiologie schlicht als „Das Studium des Lebenden Universums“. Damit schließt dieser Wissenschaftsbereich auch Fragen zur weiteren Evolution des irdischen Lebens und seiner möglichen Verbreitung im Universum mit ein.

Arbeitsbereiche

Die Exobiologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die verschiedene Forschungsgebiete umfasst^[7]:

• Bildung der Sterne und Planetensysteme.
• Geologische und geochemische Entwicklung der Planeten und ihrer Atmosphären.
• Geochemie und der Ursprung des Lebens.
• Die Evolution des Lebens und die Entwicklung der Biodiversität unter verschiedenen, meist extremen Umweltbedingungen.
• Suche nach Exoplaneten und ihre Erforschung.
• Leben im Weltraum und Erforschung der Planeten des Sonnensystems durch Raumsonden.

Ziel dieser Forschungen ist es, Aussagen und Schlussfolgerungen über den Ursprung (chemische Evolution) und die Evolution des Lebens auf der Erde und – parallel dazu – im All zu machen und heraus zu finden, ob und auf welche Weise Leben außerhalb der Erde existiert oder existieren könnte.

Suche nach außerirdischem Leben

Wissenschaftsphilosophische Kritik und Probleme

Die Exobiologie zog sich heftige Kritik zu, z.B. als „Wissenschaft, die erst noch zeigen muss, dass ihr Forschungsobjekt existiert“ (George Gaylord Simpson), oder auch durch Otto von Struve, der „die Zeit noch nicht reif“ für Astrobiologie fand.

Ein Problem der Exobiologie ist, dass es keine allgemein anerkannte Definition von Leben gibt. Tatsächlich gibt es zwar zahllose Versuche, Leben zu definieren, keine davon hat sich jedoch als vollständig oder auch nur befriedigend erwiesen.^[8] Eine mögliche Schlussfolgerung ist, dass eine feste Trennlinie zwischen „belebt“ und „unbelebt“ gar nicht existiert.^[9] Als Arbeitsdefinition wird in weiten Teilen der Exobiologie, vor allem wenn es um die direkte Suche innerhalb des Sonnensystems geht, daher von „Leben in der uns bekannten Form“ gesprochen.^[10]

Ein weiteres ernstzunehmendes Problem wird von der Rare-Earth-Hypothese beschrieben.^[11] Sie besagt, dass komplexes Leben auf der Erde nur durch eine außergewöhnliche und höchst unwahrscheinliche Kombination von Faktoren zustande gekommen ist, so dass eine Suche nach höher entwickeltem Leben außerhalb der Erde hoffnungslos sei. Verfechter der Exobiologie wenden gegen die Hypothese ein, dass dabei nur genau die Umstände gesucht werden, die auf der Erde zu genau unserer Form von Leben geführt hat. Es müssten aber alle Umstände berücksichtigt werden, die zu Leben führen können. Speziell die Anwendung des anthropischen Prinzips, um zu Aussagen zur Häufigkeit intelligentem Leben im Universum zu kommen, erscheint ihnen daher als unangemessen.^[2]

Leben in unserem Sonnensystem

Theoretisch könnte auch außerhalb der Erde auf anderen Planeten des Sonnensystems Leben existieren. So nimmt man in der exobiologischen Abteilung der NASA an, dass auf den Planeten Venus und Mars sowie auf einigen größeren Monden, wie denen des Jupiters – vor allem Europa, aber auch Ganymed und Kallisto – Leben existieren kann oder konnte. Eine besondere Stellung nimmt der Saturnmond Titan ein, auf dem unter einer dichten Atmosphäre aus Stickstoff und Methan Bedingungen herrschen könnten, die denen der Ur-Erde ähneln. Die lebensfreundlichsten Bedingungen im Sonnensystem außerhalb der Erde scheint nach derzeitigem Kenntnisstand allerdings der nur 500 km große Saturnmond Enceladus zu bieten.^[12]

Um die Grenzen möglichen Lebens bzw. lebenstragender Umgebungen zu ermitteln, untersucht man auf der Erde extreme Umgebungen (Vulkane, Tiefsee, luftleere Räume, chemische Belastungen, Antarktis) und vergleicht diese mit den Bedingungen, die auf Planeten wie dem Mars vorherrschen.

Weiter untersuchen Exobiologen Meteoriten auf Fossilien. Dabei wurden seit 1990 in einigen vom Mars stammenden Meteoriten Spuren gefunden, die als Anzeichen einzelliger Lebewesen (ähnlich Bakterien) interpretiert wurden. Diese Interpretation ist jedoch umstritten und nicht allgemein anerkannt.

Sowohl beim innersten Planet Merkur als auch bei den weit außen liegenden Eiswelten ab Uranus wird die Möglichkeit für Leben faktisch ausgeschlossen. Auf Merkur sind die Tag- und Nachttemperaturen (und damit auch die Schwankungen) zu extrem (-180 °C bis 460 °C), auf den äußeren Planeten ist die Temperatur dauerhaft zu tief (unter -190 °C), um Leben entstehen zu lassen.

Leben in anderen Planetensystemen

Leben, so wie wir es kennen, kann sich in einem Planetensystem nur in der Ökosphäre des jeweiligen Sterns entwickeln. Die Ökosphäre ist jener Teil der kosmischen Umgebung, in der auf Planeten oder Monden flüssiges Wasser bestehen kann, welches die Entstehung und das Überleben zumindest einfacher Organismen ermöglicht. Um die Ökosphäre eines Sterns beurteilen zu können, ist es wichtig, zu wissen, welcher Spektralklasse er angehört. Als Spektralklasse bezeichnet man ein System der Harvard-Klassifikation, nach der alle Sterne nach ihrer Oberflächentemperatur und Leuchtkraft eingruppiert werden. Das System besteht aus 7 Grundklassen, die mit den Buchstaben O, B, A, F, G, K und M bezeichnet werden. Darüber hinaus enthält die heute in der Astronomie allgemein angewandte MK-Klassifikation auch Leuchtkraftklassen, die mit den römischen Ziffern I, II, III, IV und V bezeichnet werden. I steht dabei für Überriese, II für Heller Riese, III für Normaler Riese, IV für Unterriese und V für einen Hauptreihenstern. Unsere Sonne ist nach dieser Klassifikation ein Stern der Klasse G2V. Die Ökosphäre erstreckt sich bei Klasse G Sternen je nach Unterklasse in einem Bereich von 0,6 bis 1,6 Astronomische Einheiten (AE). Für eine ausreichend stabile Ökosphäre, d.h. mit nur geringen Änderungen über mehrere Milliarden Jahre hinweg, kommen nur Sterne der Spektralklassen F-M und der Leuchtkraftklasse V in Betracht.

Es gibt auch Überlegungen zu sehr exotischen Lebensformen, die nicht auf Kohlenstoff basieren (Kohlenstoffchauvinismus), planetare Ausmaße annehmen (eine Biosphäre als „ein“ Lebewesen) oder gar im interplanetaren und interstellaren Raum leben. Diese Überlegungen werden aber meist dem Bereich der Science Fiction zugeordnet.

Nachweis von außerirdischem Leben

Die Exobiologie versucht auf drei Arten Leben außerhalb der Erde nachzuweisen.

1. Direkte Suche innerhalb des Sonnensystems, und möglicherweise Transport einer Probe zur Erde, durch Raumsonden.
2. Suche nach Biosignaturen auf Exoplaneten durch astronomische Beobachtungsmethoden. Es gibt mehrere indirekte Methoden, um auf Leben schließen zu können. So wird angenommen, dass bestimmte Molekülverbindungen nur durch Leben dauerhaft erzeugt werden können. Würde man also zum Beispiel im Lichtspektrum (Absorptionsspektrum) eines fernen Planeten solche Moleküle finden, wäre das ein starkes Indiz für Leben.
3. Suche nach Zeichen außerirdischer Technologie, wie Signale oder Artefakte. Ein eindeutiges Zeichen für intelligentes extraterrestrisches Leben wären z.B. Signale außerirdischer Zivilisationen, wie man sie mit SETI-Projekten^[13] zu finden versucht. Bisher ist diesen Projekten allerdings noch kein Erfolg beschieden, auch wenn angenommen wird, dass es hunderte Zivilisationen allein in unserer Galaxie, der Milchstraße geben könnte. Diese Zahl wurde mit Hilfe der Drake-Gleichung ermittelt und unterliegt starken Schwankungen je nach den getroffenen Annahmen.

2010 wurde das Cranfield Astrobiological Stratospheric Sampling Experiment (CASS-E) gestartet, das mit einer Ballonsonde Proben aus der Stratosphäre sammelt, die dann nach möglicherweise existierenden extraterrestrischen Mikroorganismen untersucht werden.^[14]

MIT und NASA entwickeln im Rahmen des Search for Extraterrestrial Genomes Projekts ein Gerät, das sehr unterschiedliche Proben aufbereiten und darin Nukleinsäuren nachweisen kann. 2018 ist eine Verwendung auf dem Mars vorgesehen.^[15][16]

Theoretische Erwägungen

Cohen und Stewart^[17] verwenden die Begriffe universal ‚universell‘ und parochial ‚beschränkt‘, um Charakteristika zu kategorisieren, deren Auftreten bei Lebensformen auf anderen, aber im weitesten Sinne erdähnlichen Planeten sehr wahrscheinlich oder eher weniger wahrscheinlich (aber möglich) ist.

• Als universell werden die Prinzipien und physikalischen und chemischen Funktionen bezeichnet, die mehrfach gefunden werden und die sich unabhängig voneinander während der Evolution auf der Erde entwickelt haben und dadurch anzeigen, dass sie zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten einen evolutionären Vorteil darstellen.
  • Fortbewegung, d.h. das sehr generelle Prinzip der aktiven oder erleichterten Bewegung eines Individuums von Ort zu Ort, beispielsweise durch Laufen, Gehen, Klettern, Kriechen, Schwimmen oder durch entsprechenden Körperbau sich von Wind oder Wasser treiben zu lassen.
    • Speziell Flugfähigkeit hat sich unabhängig voneinander bei Insekten, Pterosauriern, fliegenden Fischen, Vögeln und Fledermäusen entwickelt.
  • Sinnesorgane, die spezifische Informationen in Form von Reizen aus der Umwelt aufnehmen und weiterleiten.
    • Sehfähigkeit im weitesten Sinne wird bei Muscheln, Schnecken, Kraken, Insekten und Wirbeltieren gefunden.
    • Echolokation wird von Fledermäusen, Walen und höhlenlebenden Vögeln zur Orientierung und Kommunikation verwendet.
  • Verschiedene Arten von Photosynthese findet man bei Purpurbakterien und Pflanzen.
  • Polymere, speziell Biopolymere, werden in Lebewesen sehr unterschiedlich synthetisiert und haben sehr unterschiedliche Funktionen.
  • Fellartige Körperbedeckung
  • usw.
• Als beschränkt gelten jene Charakteristika, die bisher nur ein einziges Mal auf der Erde aufgetreten sind; in Bezug auf extraterrestrisches Leben werden sie als unwahrscheinlich erachtet, sie sind aber möglich.
  • Nahrungsaufnahme und Atmung durch dieselbe Körperöffnung
  • Fünffingrigkeit
  • Selbstreflektierendes Bewusstsein
  • usw.

Siehe auch

• Extremophile
• ALH 84001 (Meteorit)
• Exo-Soziologie
• Fermi-Paradoxon
• Planetary Protection
• Von den Bewohnern der Gestirne
• Exopolitik

Literatur

Monographien und Einzelbeiträge

• L. R. Magnolia, S. A. Gogin, J. A. Turley: Exobiology: A Bibliography. Issue 52 of Research Bibliography, STL Technical Library, TRW Space Technology Laboratories (1964)
• Pascual Jordan: Diskussionsbemerkungen zur exobiologischen Hypothese. Steiner, Wiesbaden 1971
• Michael D. Papagiannis: Strategies for the search for life in the universe. Reidel, Dordrecht 1980, ISBN 90-277-1181-X.
• Christian de Duve: Aus Staub geboren – Leben als kosmische Zwangsläufigkeit, Rowohlt Taschenbuch Verlag, Hamburg 1997, ISBN 3-499-60160-5.
• Claude R. Canizares: Evaluating the biological potential in samples returned from planetary satellites and small solar system bodies – framework for decision making. National Academy Pr., Washington 1998, ISBN 0-309-06136-9 (online)
• Stuart Clark: Life on other worlds and how to find it. Springer, London 2000, ISBN 1-85233-097-X.
• Jack Cohen und Ian Stewart What Does a Martian Look Like? The Science of Extraterrestrial Life, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ 2002, ISBN 0-471-26889-5.
• D. Beste: Leben im All. Spektrum der Wissenschaft Dossier 2002,3, Spektrum-d.-Wiss.-Verlag, Heidelberg 2002, ISBN 3-936278-14-8, http://www.spektrum.de/artikel/849269
• G. Horneck: Astrobiology – the quest for the conditions of life. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42101-7.
• P. Ehrenfreund: Astrobiology – future perspectives. Kluwer Academic, Dordrecht 2004, ISBN 1-4020-2304-9.
• I. Gilmour, M.A. Sephton: An introduction to astrobiology. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2004, ISBN 0-521-83736-7.
• Hansjürg Geiger: Auf der Suche nach Leben im Weltall. Wie Leben entsteht und wo man es finden kann. Kosmos Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-440-10504-0.
• Mario Livio: Astrophysics of life. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2005, ISBN 0-521-82490-7.
• T. Penz: Habitable planets in the universe – an interdisciplinary approach regarding the origin and distribution of life. Diplomarbeit. Universität Graz, 2005.
• Fred Adams: Leben im Universum. Deutscher Taschenbuch Verlag, München 2006, ISBN 3-423-34282-X.
• L. Billings u. a.: The Astrobiology Primer: An Outline of General Knowledge – Version 1, 2006. In: Astrobiology. Vol.6, 2006, S. 735 ff. PDF-Version
• Andrew M. Shaw: Astrochemistry – from astronomy to astrobiology. Wiley & Sons, Chichester 2006, ISBN 0-470-09136-3.
• Hubert Untersteiner: Exobiologie – Wissenschaft vom Leben im All. edition nove, 2006, ISBN 3-902546-42-5.
• G. Horneck, P. Rettberg: Complete course in astrobiology. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-40660-9.
• W.T. Sullivan, J.A. Baross: Planets and life – the emerging science of astrobiology. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2007, ISBN 978-0-521-53102-3.

Periodika

• Astrobiology, Mary Ann Liebert, ISSN 1531-1074 (Print), ISSN 1557-8070 (Online)
• International Journal of Astrobiology, Cambridge Journals, ISSN 1473-5504 (Print), ISSN 1475-3006 (Online)
• Origins of Life and Evolution of Biospheres, Springer-Verlag, ISSN 0169-6149 (Print), ISSN 1573-0875 (Online)

Weblinks

• NASA Astrobiology (englisch)
• The Space Science and Astrobiology Division at NASA Ames (englisch)
• Buckingham Centre for Astrobiology (BCAB) buckingham.ac.uk, abgerufen am 23. Oktober 2012
• European Astrobiology Network Association
• International Space University Summer Session Programm 2002-A Discovery Sourcebook for Astrobiology; Final Report, PDF 13 MB, abgerufen am 28. August 2009
• R. Weinberger: Sind wir allein im Universum? (PDF-Datei; 65 kB)
• L. Hauser: Außerirdisches Leben: Herausforderung für die Theologie? pdf (online)
• Lochfraß im Marsgestein – Forscher finden mögliche Spuren von Bakterien in einem Meteoriten vom Mars
• ORF-Artikel zu möglichen Leben auf der Venus

Videos

• Beginnings of Astrobiology - David Morrison Astrobiology at the Carl Sagan Center, Mai 2012, @youtube, abgerufen am 6. Juli 2012

Einzelnachweise