Ein einmaliges Experiment

Ich will heute einmal an ein Experiment erinnern, das es seitdem nie wieder gab und das auch hinsichtlich Komplexität einmalig war. Dazu muss ich weit zurückgehen in die Sechziger Jahre. Gemessen an heutigen Standards war die Technik bei Sensorik und Datenverarbeitung in der Raumfahrt damals primitiv. Anstatt Elektronik dominierte Elektrik und rudimentäre Bordcomputer gab es bei bemannten Raumfahrzeugen, nicht aber bei Raumsonden. Das traf auch auf die Experimente zu. Messgeräte waren meist leichte und miniaturisierte Geräte, die es auch sonst in der Forschung und Technik gab, wie Videokameras, Geigerzähler oder Magnetometer. Alles wurde analog gemessen und erst vor dem Senden digitalisiert.

In diese Zeit fällt nun, die in echter Kaufkraft wahrscheinlich teuerste, und gemessen am Ziel auch aufwendigste Mission der NASA, das Viking Programm. Ziel war es nicht nur den Mars aus dem Orbit zu erkunden sondern auch zwei Landegeräte abzusetzen. Viel wusste man bei Planung der Mission nicht über den Mars. Während die Mission die Entwicklung durchlief, kartierte Mariner 9 den roten Planeten erstmals, lieferte Temperaturmessungen und Spektren, aber über die Oberfläche wusste man wenig, dafür war die Kamera von Mariner 9 einfach zu grob auflösend.

Schon damals wusste man so viel über den Mars, als das man die Chancen dass sich dort Leben bilden könnte, niedrig einschätzte. Die Temperaturen zeigten, das der rote Planet viel kälter als die Erde war, was angesichts seiner größeren Entfernung nicht verwunderlich ist. Sie stiegen auch schnell und fielen rasch wieder ab, weil die dünne Atmosphäre nicht wie bei uns Wärme speichert oder Wolken die Abgabe von Wärme vom Boden verringern. Das Konzept der habitablen Zone war schon bekannt und zumindest am Äquator konnte Wasser tagsüber flüssig sein. Flüssiges Wasser musste der Mars besessen haben, das zeigten Aufnahmen von Mariner 9. Sie zeigten ausgetrocknete Flussläufe, Schwemmland, Einbrüche der Oberfläche, wo unterirdisch Wasser weiter floss. Eine jahreszeitlich wachsende und schrumpfende Polkappe. Eventuell gab es noch Wasser im Boden gebunden, so wurde vermutet denn einige Bilder zeigten gebiete die an irdischen Permafrostboden erinnerten.

Obwohl eigentlich die Landung auf dem Mars schon ambitioniert genug war – Russland sollte bei vier Versuchen vor den USA daran scheitern und selbst zu unserer Zeit gehen Lander (Schiaparelli) verloren – setzte die NASA noch eins drauf. Sie wollte ein Gerät entwickeln, das Leben nachweisen kann.

Wie dies geschehen sollte, war schon mal eine gute Frage. In einem Labor würde man wohl Nährflüssigkeiten oder Petrischalen mit Nährboden mit Bodenstaub impfen und in einem Brutschrank ausbrüten und dann sehen ob sich Bakterienkolonien bilden oder nicht – das es makroskopisch nachweisbares Leben gäbe, also Organismen die groß genug waren, um von einer Kamera fotografiert zu werden, das hielt man schon damals angesichts der bekannten Bedingungen auf der Marsoberfläche für unmöglich. Bei der dünnen Atmosphäre gelangt die solare und kosmische Strahlung fast unabgeschwächt zur Oberfläche und würde jedes Lebewesen dort abtöten. Ohne Sauerstoff fehlt auch die Ozonschicht die vor UV-Strahlung schützt.

Auf der anderen Seite gab es auch viel Hoffnung auf dem Mars könnte sich Leben entwickelt haben und vielleicht im Boden weiter existieren. Schon 1954 wies Urey nach, dass durch energiereiche Strahlung aus einfachen Gasen (Methan, Kohlendioxid, Ammoniak) organische Substanzen entstehen, darunter einige Aminosäuren aus denen alle Organismen aufgebaut sind. Man hatte Leben in extremen Umgebungen wie Salzseen oder von Vulkanen fast ans Kochen gebrachte Seen gefunden. Einige der Lebensformen waren chemautototoph, benötigten also weder Licht für die Photosynthese noch andere organische Substanzen um ihren Stoffwechseln durchzuführen. Ja selbst „größere“ Lebewesen (größer als Einzeller) wie Mückenlarven hielten extreme Bedingungen wie extreme Hitze und Kälte und kosmische Strahlung aus. Als Apollo 12 1969 den Kameramast einer Surveyor-3 Mondsonde demontierte und barg, um zu sehen wie sich das Material in mehr als zwei Jahren auf der Mondoberfläche verändert hatte, fand man unter der Isolierung eingetrockneten Schleim, der wohl von einem Mitarbeiter stammte, der bei der Montage eine Erkältung hatte. In ihm hatten Staphylokokken überlebt die auf Petrischalen sich dann erneut vermehrten.

Doch wie sollte das Experiment aufgebaut sein? Es war klar dass es weitestgehend automatisiert sein musste. Etwas anderes war damals technisch nicht umsetzbar. Daneben musste es leicht sein und klein. Und man musste die Messergebnisse feststellen und übertragen können. Man entschloss sich ein miniaturisiertes Labor in dem man in Inkubationskästen Lösungen und Gase zugeben kann zu bauen. Vergleichbar einem Reaktor oder Brutschrank konnte Temperatur, Licht, Feuchtigkeit und Atmosphäre in den Zellen kontrolliert werden. Die Gase bzw. auch die gebildete organische Materie (nach Pyrolyse) wurden dann von einem Gaschromatographen aufgetrennt und mit einem Massenspektrometer die Atommasse der Fragmente bestimmt. Das alles musste miniaturisiert sein und automatisch erfolgen. So verwundert es nicht das dieses Experiment alleine damals 59 Millionen Dollar kostete. Nur als Vergleich: die gerade laufende Doppelmission von Mariner 8 und 9 kostete 137 Millionen Dollar. Das Biolabor war damit in etwa so teuer, wie die Mariner 9 Raumsonde.

Organismen konnte es trotzdem nicht nachweisen. Stattdessen konzentrierten sich die Wissenschaftler auf fundamentale Fragestellungen: Wie kann ich die Aktivität von biologischen Organismen erkennen?

Es wurden drei Fragestellungen aufgestellt und das Labor so aufgebaut das es diese Fragestellungen klären konnte.

Die erste war: gibt es Photosynthese? Auf der Erde war die Photosynthese von Blaualgen der erste Schritt zur Entwicklung höheren Lebens, ohne ihn wäre es immer auf den Nachschub von oxidierbaren Substanzen aus dem Erdinneren wie bei den „schwarzen Rauchern“ am Meeresboden angewiesen. Die Atmung unter Sauerstoffverbrauch die alle Tiere betrieben ist erst sehr viel später entstanden. Für dieses Experiment wurde eine Bodenprobe inkubiert und einer Atmosphäre aus mit radioaktiv markiertem Kohlendioxid versetzt. Eine Lampe ersetzte die Sonne. Nach Beendigung der Inkubationszeit wurde die Atmosphäre analysiert wobei nur der radioaktive Kohlenstoff, das Isotop C-14 interessierte, Danach wurde der Inhalt pyrolysiert und das freiwerdende Gas erneut auf C-14 untersucht. Die Annahme war, das photyosynthetisch aktive Organismen den radioaktiven Kohlenstoff in ihre Matrix einbauen und so es bei der Pyrolyse einen starken zweiten Ausschlag gab.

Leben das dagegen organische Substanz abbaut wies das Stoffwechselexperiment nach. Das sind die meisten Organismen, die keine Photosynthese bestreben. Alle Tiere, aber auch Pilze und Bakterien. Hier wurde eine Probe mit einer Nährlösung aus Substanzen versetzt, die auf der Erde für Bakterienanzuchten genutzt wurden wie Zuckern und Aminosäuren. Auch Die Bestandteile dieser Nährlösung waren radioaktiv markiert. Erneut wurde über Tage inkubiert. Währenddessen wurde aus der Atmosphäre laufend Proben entnommen und diese auf das radioaktive Isotop C-14 untersucht. Die Annahme war das Organismen die organischen, markierten Moleküle abbauen würden und dabei Kohlendioxid ausatmen würden, das dann den radioaktiven Kohlenstoff enthält.

Das dritte Experiment, das Gasaustauschexperiment, basiert darauf, dass das Leben generell seine Umgebung verändert. Das tun alle Organismen egal ob Pflanzen, Tiere oder niedere Organismen. Hier konnte eine Bodenprobe zum einen nur einer kontrollierten Atmosphäre ausgesetzt werden und festgestellt werden, ob sich diese veränderte, oder es konnte eine Nährlösung hinzugegeben werden und dann untersucht werden ob sich die Atmosphäre verändert.

Beide Viking Lander führten die Experimente durch. Der Greifer nahm Bodenproben, grub auch in die Tiefe um Material zu entnehmen, das nicht der ionisierten Strahlung an der Oberfläche ausgesetzt wurde oder nahm Proben unter Steinen. Beschränkt war allerdings der Radius auf die ein bis zwei Meter um den Greifarm herum. Er füllte diese dann über einen Stutzen ins Labor wo die Untersuchungen stattfanden. Bei manchen Experimenten konnte man Probenkammern erneut nutzen nachdem sie vorher durch Pyrolyse sterilisiert wurden.

Die Ergebnisse des Biolabors waren durchwachsen. Das zuerst gestartete Photosyntheseexperiment lieferte bei einem Viking Lander ein schwach positives Resultat. Beim zweiten Viking Lander nicht. Dann wiederholte man die Analyse mit einer Blindprobe und kam auf dasselbe Resultat, sodass fotosynthetisch aktives Leben nicht nachweisbar war.

Das Stoffwechselexperiment lief dagegen gut an. Sobald Nährlösung zu der Probe zugegeben wurde, war radioaktiver Kohlenstoff in der Atmosphäre über der Probe nachweisbar. Allerdings war das Verhalten sehr merkwürdig. Geschützte Proben unter Steinen oder der Tiefe waren weniger aktiv, als Proben von der Oberfläche und bei einer erneuten Zugabe von Nährlösung stieg die Freisetzung von radioaktivem Kohlenstoff nicht weiter an, sondern sank etwas ab. Erklären konnte man sich dies anfangs nicht.

Als letztes kam das Gasaustauschexperiment an die Reihe, dass, da es die Atmosphäre analysierte, und nicht nur den radioaktiven Kohlenstoff bestimmte, dann das seltsame Verhalten aufklären konnte. Denn Nach Zugabe der Nährlösung veränderte sich die Atmosphäre und zwar drastisch. Der Sauerstoffanteil stieg um das 200-fache an, der Kohlendioxidgehalt um das fünffache. Das war nun ein seltsames Resultat, weil irdische Organismen im Dunkeln nicht Sauerstoff freisetzen sondern verbrauchen und sie setzen entweder Sauerstoff oder Kohlendioxid drei, nie beides gleichzeitig. Man wiederholte das Experiment nur mit der Zugabe von Wasser vor und nach der Nährlösung und eine Reduktion der Sauerstoffemission fest.

Die stimmigste Erklärung, die Jahrzehnte später auch von Raumsonden bestätigt wurde, war das die Marsoberfläche oxidierende Substanzen enthält wie Peroxide, Chlorate, Perchlorate oder Permanganate. Sie entstehen durch den Beschuss von Wasser und anderen Verbindungen mit UV-Strahlung. Die beiden Mars Rover Spirit und Opportunity konnten Peroxide spektroskopisch nachweisen,. Der Phoenix Mars Scout Perchlorate in einen chemischen Labor und Teleskope auf der Erde Wasserstoffperoxid in den Spektren des Mars.

Das Experiment wurde nie wiederholt, obwohl z. B. die aktuellen Rover Curiosity und Perseverance weit empfindlichere Experimente für die Analytik haben. Die können heute können Kohlenmonoxid von Stickstoff (beide Atommasse 28, aber kleine Unterschiede in der Nachkommastelle) unterscheiden. Daneben kleinste Spuren von Spuren-Isotopen neben 99+ % des Hauptisotops. Alleine am Gaschromatograph vom SAM an Bord von Curiosity kann man den Unterschied festmachen. Sein Detektionslimit liegt bei 0,01 nMol. Beim Gaschromatograph von Viking waren es je nach Molekül 0,25 bis 10 nMol, er war also 25 bis 1000-mal unempfindlicher.

So konnten bei vergleichenden Untersuchungen mit dem Biolabor und irdischen Proben aus Extremgebieten wie Wüstensand in den Achtzigern, um die Ergebnisse besser einzuordnen denn auch nur leicht positive Ergebnisse erhalten werden, weil sie einfach zu unsensibel waren. Aber das lag einfach an der Technik ihrer Zeit.