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Jun 16, 2023

Eine Welt im Reagenzglas: Die Entfernung von Lebensspuren im Labor hilft NASA-Wissenschaftlern, ihre Ursprünge zu erforschen

Von Jet Propulsion Laboratory, 2. März 2023 Diese Abbildung der frühen Erde zeigt flüssiges Wasser sowie Magma, das aufgrund eines großen Einschlags aus dem Planetenkern sickert. Wissenschaftler der NASA sind

Von Jet Propulsion Laboratory, 2. März 2023

Diese Darstellung der frühen Erde umfasst flüssiges Wasser sowie Magma, das aufgrund eines großen Einschlags aus dem Kern des Planeten austritt. Wissenschaftler der NASA untersuchen die Chemie, die zu diesem Zeitpunkt in der Geschichte des Planeten existiert haben könnte. Bildnachweis: Simone Marchi

A specialized laboratory at JPLThe Jet Propulsion Laboratory (JPL) is a federally funded research and development center that was established in 1936. It is owned by NASA and managed by the California Institute of Technology (Caltech). The laboratory's primary function is the construction and operation of planetary robotic spacecraft, though it also conducts Earth-orbit and astronomy missions. It is also responsible for operating NASA's Deep Space Network. JPL implements programs in planetary exploration, Earth science, space-based astronomy and technology development, while applying its capabilities to technical and scientific problems of national significance." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">JPL wurde entwickelt, um den chemischen Einfluss moderner Organismen zu eliminieren, und ermöglicht es Wissenschaftlern, die Chemie zu untersuchen, die möglicherweise zum Leben geführt hat.

At NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Im Origins and Habitability Lab des Jet Propulsion Laboratory der NASA finden Sie eine Welt im Reagenzglas. Dies ist eine vereinfachte Darstellung der frühen Erde, die so rekonstruiert wurde, dass sie den Bedingungen ähnelt, die vor etwa 4 Milliarden Jahren auf unserem Planeten herrschten. Durch diese Simulation können sich Wissenschaftler auf die möglichen chemischen Reaktionen konzentrieren, die in dieser Zeit stattgefunden haben, einschließlich solcher, die eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Lebens auf der Erde gespielt haben könnten oder auf die Existenz von Leben auf anderen Planeten hinweisen könnten.

Letztes Jahr simulierten Forscher im Origins and Habitability Lab des JPL die Chemie der frühen Erde und führten eine wichtige chemische Reaktion durch, die am Stoffwechsel beteiligt ist, dem Prozess, den lebende Organismen nutzen, um Brennstoff (wie Sonnenlicht oder Nahrung) in Energie umzuwandeln. Erzeugten die ersten Lebensformen der Erde Energie mit denselben chemischen Reaktionen, die heute lebende Organismen nutzen?

Der erste Schritt zur Beantwortung dieser Frage besteht darin, herauszufinden, ob diese Reaktionen auf der frühen Erde überhaupt möglich waren. In lebenden Organismen finden solche Reaktionen nur innerhalb einer Membran (z. B. der Schutzwand einer lebenden Zelle) statt, was nur ein Grund dafür ist, dass die Frage offen ist, ob und wie diese Reaktionen vor der Entstehung von Leben stattgefunden haben könnten.

Im Origins and Habitability Lab des JPL nutzen Forscher eine versiegelte Kammer, um Experimente ohne Sauerstoff durchzuführen und so die Chemie der frühen Erde nachzubilden. Von links sind die Co-Leiterin des Labors, Laurie Barge, und die Forscherinnen Jessica Weber und Laura Rodriguez zu sehen. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Die Arbeit des Labors gehört zu einer Disziplin, die als Astrobiologie bekannt ist: der Erforschung der Ursprünge, Entwicklung, Verbreitung und Zukunft des Lebens im Universum. Die Fäden hängen alle zusammen, sodass der Versuch zu verstehen, wie das Leben auf der Erde entstanden ist, Wissenschaftlern auch dabei helfen würde, anderswo nach Leben zu suchen. Tatsächlich untersuchte das Laborteam in einer anderen Studie, wie das Verständnis des Ursprungs des Lebens auf der Erde Wissenschaftlern auch dabei helfen kann, das Aussehen organischer Moleküle (die chemische Grundlage für Lebewesen auf der Erde) zu interpretieren, die möglicherweise auf einem anderen Planeten oder Mond gefunden werden.

Aber die Bedingungen auf der Erde vor der Entstehung des Lebens zu simulieren, ist keine leichte Aufgabe. Die Uhr zurückzudrehen bedeutet, zu berücksichtigen, wie das Leben unseren Planeten verändert hat.

Es gibt praktisch keinen Ort auf der Erde, der nicht von irgendeiner Form von Leben bewohnt wird. Mikroorganismen finden sich auf dem Meeresgrund, in glühend heißen Geysiren und in Räumen, die der Entfernung dieser Organismen gewidmet sind.

Lebensformen haben auch die Chemie unseres Planeten verändert. Eine der größten Herausforderungen beim Versuch, im Labor Vorlebensbedingungen zu schaffen, ist der Umgang mit der Anwesenheit von Sauerstoff. Bevor das Leben entstand, fehlte es weitgehend in der Erdatmosphäre. Heute ist es allgegenwärtig, weil so viele Lebensformen es produzieren. Daher müssen alle Experimente zum Ursprung des Lebens im Labor in einer luftdichten Box durchgeführt werden, die über eine Luftschleuse zum Hinein- und Herausnehmen von Gegenständen verfügt. Zusätzlich zu den Reagenzgläsern, die Chemikalien enthalten, müssen alle Instrumente, die zur Analyse dieser Chemikalien verwendet werden, in die Box passen. Daher gibt es einige Experimente, die das Team in dieser Umgebung nicht durchführen kann.

Darüber hinaus kann jeweils nur eine Person in der Box arbeiten und dicke Gummihandschuhe anziehen, die an den Seiten des Containers angebracht sind, um Dinge zu bewegen oder die Ausrüstung zu benutzen. Filter (die regelmäßig gereinigt werden müssen) fangen verirrte Sauerstoffatome ein. Sogar Wasser muss einen langwierigen Prozess durchlaufen, um Sauerstoffgas zu entfernen.

„In der Wissenschaft dreht sich alles um Wiederholung“, sagte JPL-Forscherin Laurie Barge, Co-Leiterin des Origins and Habitability Lab. „Wir wollen immer wieder Experimente machen, und das ist schwierig, wenn man so viel Zeit darauf verwenden muss, sicherzustellen, dass sich nicht einmal ein winziges bisschen Sauerstoff ins Reagenzglas eingeschlichen hat.“

Barge und ihr Team brauchten Monate, um zu zeigen, dass eine chemische Reaktion, die am modernen Stoffwechsel beteiligt ist, unter diesen frühen Erdbedingungen stattfinden kann. Sie wollen weiterhin versuchen, jeden Schritt im Stoffwechselprozess zu simulieren, und irgendwann werden sie möglicherweise feststellen, dass eine bestimmte Reaktion nur innerhalb einer schützenden Struktur wie einer Membran stattfinden kann. Das könnte helfen, einzugrenzen, wann Membranen für die Entstehung des Lebens notwendig wurden – ein Blick zurück in die Vergangenheit.

Es gibt noch eine andere Möglichkeit für Wissenschaftler, etwas über die ablaufende Chemie zu erfahren und möglicherweise die Voraussetzungen für das Leben auf der Erde zu schaffen: Durch die Untersuchung eines Planeten oder Mondes mit ungefähr denselben Rohstoffen, die auf der frühen Erde gefunden worden wären. Der Ort könnte ein lebloser Mond in unserem eigenen Sonnensystem oder ein Planet um einen anderen Stern sein. Dann könnten Barge und ihre Kollegen die Ideen, die sie untersuchen, in einer Umgebung testen, die nicht auf die Größe eines Handschuhfachs beschränkt ist.

„Es wäre sehr interessant, einige unserer Laborergebnisse zu validieren und mit Ergebnissen aus einer anderen Welt zu vergleichen“, sagte Jessica Weber, eine JPL-Forscherin im Origins and Habitability Lab, die die Stoffwechselarbeit leitete. „Das Finden einer solchen Umgebung würde uns helfen, die frühe Erde in unseren Laborexperimenten besser nachzubilden, und das würde uns der Beantwortung einiger dieser großen Fragen zum Leben auf unserem eigenen Planeten und möglicherweise auch auf anderen Planeten näher bringen.“

Referenzen: „Determining the „Biosignature Threshold“ for Life Detection on Biotic, Abiotic, or Prebiotic Worlds“ von Laura M. Barge, Laura E. Rodriguez, Jessica M. Weber und Bethany P. Theiling, 13. April 2022, Astrobiology.DOI: 10.1089/ast.2021.0079

„Testing Abiotic Reduction of NAD+ Direct Mediated by Iron/Sulfur Minerals“ von Jessica M. Weber, Bryana L. Henderson, Douglas E. LaRowe, Aaron D. Goldman, Scott M. Perl, Keith Billings und Laura M. Barge, 11. Januar 2022, Astrobiologie.DOI: 10.1089/ast.2021.0035