Vor der unendlichen Kulisse des dunklen, leblosen Weltraums befestigte ein Roboterarm auf der Internationalen Raumstation im Jahr 2015 eine Kiste mit exponierten Mikroben an einem Handlauf 250 Meilen über der Erde. Die herzhaften Bakterien hatten keinen Schutz vor einem Ansturm kosmischer Ultraviolett-, Gamma- und Röntgenstrahlen. Zurück auf der Erde fragten sich die Wissenschaftler, ob die Keime diese Bedingungen bis zu drei Jahre lang überleben könnten – so lange dauerte das Experiment – und wenn ja, was die Ergebnisse den Forschern über die Fähigkeit des Lebens, zwischen den Planeten zu reisen, sagen könnten.
Mikrobiologen haben Jahrzehnte damit verbracht, extremophile Organismen zu studieren, also Organismen, die extremen Bedingungen standhalten, um dem Geheimnis auf die Spur zu kommen, wie das Leben auf der Erde entstanden ist. Einige Extremophile können mehrere Tage lang ungeschützt im Weltraum überleben, andere können jahrelang überleben, aber nur, wenn sie sich ein Zuhause in Felsen geschaffen haben. Diese Erkenntnisse untermauern die Theorie, dass Leben, wie wir es kennen, in Meteoriten oder Kometen zwischen Planeten übertragen werden kann. Neue, heute in Frontiers in Microbiology veröffentlichte Ergebnisse, die auf diesem Experiment auf der Internationalen Raumstation basieren, zeigen, dass das Bakterium Deinococcus radiodurans mindestens drei Jahre im Weltraum überleben kann. Akihiko Yamagishi, ein Mikrobiologe an der Universität für Pharmazie und Biowissenschaften in Tokio, der die Studie leitete, sagt, dass die Ergebnisse auch darauf hindeuten, dass mikrobielles Leben ungeschützt durch Gestein zwischen Planeten reisen könnte.
Die Studie fand außerhalb des japanischen Kibo-Labors auf der Internationalen Raumstation statt. Doch lange bevor Yamagishis Experiment den Weg in die Umlaufbahn fand, wollte die japanische Weltraumforschungsagentur JAXA sein Team davon überzeugen, dass es erfolgreich sein würde. „Wir wollten sagen: ‚Wir wissen es nicht – wir müssen es einfach ausprobieren‘. Aber das ist bei Weltraumexperimenten nicht erlaubt“, sagt Yamagishi. „Also mussten wir überlegen, wie wir sie überzeugen können.“
Yamagishi und sein Team hatten mehrere Bakterienarten in Betracht gezogen, und Deinococcus radiodurans stach als außergewöhnlich hervor. Zwischen 2010 und 2015 führte sein Team Experimente durch, bei denen D. radiodurans unter simulierten Bedingungen auf der Internationalen Raumstation getestet wurde. Sie bestrahlten die Wanzen mit hohen Strahlungswerten, senkten den Druck auf ein weltraumähnliches Vakuum und erhöhten die Temperatur in nur 90 Minuten um 140 Grad Celsius. Sie fanden heraus, dass die Zellen bemerkenswert widerstandsfähig gegen die Flut von Stress waren. „Wir haben gezeigt, dass wir überleben werden, indem wir diese Experimente auf dem Boden durchgeführt haben, und man hat uns akzeptiert und uns geglaubt“, sagt er. Das Team erhielt die Zustimmung der JAXA, und ihr astrobiologisches Experiment sollte im April 2015 mit einer SpaceX-Rakete starten.
Vor dem Start kam es zu einem Schluckauf bei dem geplanten Experiment. Ursprünglich wollten Yamagishi und sein Team die Experimente von Astronauten durchführen lassen, aber sie erfuhren, dass sie nicht mehr die Möglichkeit hatten, wissenschaftliche Experimente außerhalb der Internationalen Raumstation durchzuführen. Glücklicherweise war das Team in der Lage, ein Experiment zu entwerfen, bei dem der Roboterarm zum Einsatz kam.
Drei Platten mit Bakterien wurden mit der SpaceX-Rakete in den Weltraum gebracht: eine für ein Jahr, eine für zwei und eine für drei Jahre. Nachdem die Astronauten die Platten vorbereitet hatten, griff ein von der Erde aus gesteuerter Roboterarm die Platten und brachte sie an ihren Platz. Jede Platte enthielt zwei kleine Aluminiumplatten mit 20 flachen Vertiefungen für unterschiedlich große Bakterienmassen. Eine Platte zeigte nach unten zur Internationalen Raumstation, die andere nach draußen in den Kosmos.
Jedes Jahr baute der Roboterarm von Kibo die Plattform mit den Platten ab und brachte sie zurück in die ISS, damit die Astronauten Proben zur Analyse zur Erde schicken konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Deinococcus-Bakterien das dreijährige Experiment überlebt haben. Die Deinococcus-Bakterienzellen in den äußeren Schichten der Massen starben ab, aber diese toten äußeren Zellen schützten die inneren vor irreparablen DNA-Schäden. Und wenn die Massen groß genug waren – immer noch dünner als ein Millimeter – überlebten die Zellen im Inneren mehrere Jahre lang.
„Das erinnerte mich genau an die Strategie, die Cyanobakterien in den Anden anwenden“, sagt Nathalie Cabrol, eine nicht an der Studie beteiligte Astrobiologin, die das Carl Sagan-Forschungszentrum des SETI-Instituts (Search for Extraterrestrial Intelligence) leitet. Cabrol hat untersucht, wie Cyanobakterien, eine der ältesten Lebensformen der Erde, die intensive Sonnenstrahlung überstehen, indem sie sich in Schichten organisieren, in denen die Zellen außen absterben und innen überleben. Sie war erfreut darüber, was diese Ergebnisse uns über Extremophile auf der Erde sagen können.
Nicht nur die schützenden Zellschichten in der Masse, D. radiodurans, sind bemerkenswert resistent gegen Strahlungsschäden. Ihre Gene kodieren für einzigartige Proteine, die die DNA reparieren. Während menschliche Zellen etwa zwei DNA-Kopien und die meisten Bakterienzellen eine tragen, enthält D. radiodurans bis zu 10 redundante Kopien. Mehr Kopien wichtiger Gene bedeuten, dass die Zellen mehr Kopien der Proteine produzieren können, die durch Strahlung beschädigte DNA reparieren. Dieser inhärente Abwehrmechanismus in Verbindung mit schützenden äußeren Zellschichten hielt die Mikroben trotz einer Strahlenbelastung am Leben, die mehr als 200 Mal höher war als auf der Erde.
Anhand ihrer Daten darüber, wie sich jedes zusätzliche Jahr auf die Zellen auswirkt, sagt das Team voraus, dass reisende D. radiodurans-Massen zwei bis acht Jahre zwischen Erde und Mars überleben könnten – und umgekehrt. „Es ist also möglich, während des Transports zu überleben“, sagt er. „Das sagt uns, dass wir den Ursprung des Lebens nicht nur auf der Erde, sondern auch auf dem Mars in Betracht ziehen müssen.“
D. radiodurans ist nicht der einzige Organismus, von dem bekannt ist, dass er im Weltraum überlebt. Frühere Studien haben gezeigt, dass Bärtierchen bei direkter Exposition nur 10 Tage überleben. Wissenschaftler haben auch Bacillus- und Deinococcus-Bakterien über lange Zeiträume in der Umlaufbahn getestet, allerdings nur mit Schutz vor toxischer Strahlung.
“ schlagen vor, dass Mikrobensporen im Gestein überleben könnten – das ist Lithopanspermie“, sagt Yamagishi. Lithopanspermie ist eine Abwandlung der Theorie der Panspermie, die davon ausgeht, dass das Leben auf der Erde aus den Mikroben eines anderen Planeten entstanden sein könnte. Yamagishis Ergebnisse, wonach Extremophile jahrelang der direkten Einwirkung von Felsen standhalten, sind jedoch Anlass für einen neuen Begriff: Massapanspermie. Diese Theorie legt nahe, dass Mikroben in Klumpen auf der Erde gelandet sein könnten, anstatt in Felsen.
Andere Experten zögern jedoch, Massapanspermie zu akzeptieren.
„Ich war bereits von der Idee überzeugt, dass Leben von der Erde auf den Mars übertragen worden sein könnte“, sagt Natalie Grefenstette, eine theoretische Astrobiologin am Santa Fe Institute, die nicht an dieser Arbeit beteiligt ist. Die Beweise für die Lithopanspermie haben sie davon überzeugt, dass die Übertragung von Leben möglich ist, aber sie sieht eine große Einschränkung für die Massapanspermie: frei schwimmende Zellmassen müssten den Auswurf von einem Planeten und den Wiedereintritt auf einem anderen überleben. „Das sind enorme Anforderungen“, sagt sie. Sie vermutet, dass ein reisender Klumpen freiliegender Zellen vor der Landung wie ein Meteor verglühen würde.
Cabrol stellt die Möglichkeit der Massapanspermie ebenfalls in Frage. „Zu zeigen, dass Radiodurans drei Jahre überleben kann, wenn es geschichtet ist, ist sehr weit von den Zahlen entfernt, die wir brauchen, damit Radiodurans den Sprung zum Mars schaffen kann.“ Obwohl jahrelange Reisen theoretisch möglich sind, schätzen Wissenschaftler, dass es bis zu mehreren Millionen Jahren dauern kann, bis Materie einen Planeten verlässt und auf einem anderen innerhalb des Sonnensystems landet.
„Die Relevanz dieser Studie liegt weniger darin, zu beweisen, dass Massapanspermie oder Panspermie möglich sind“, sagt Cabrol. „
Viele Länder haben den Weltraumvertrag unterzeichnet, der es ihnen verbietet, Mikroben auf andere Planeten zu bringen (und dort auszubringen). Wenn ein Raumschiff versehentlich Mikroben auf dem Mars verschüttet, würde dies zukünftige Missionen zur Suche nach Leben auf dem Planeten beeinträchtigen. Die Wissenschaftler wüssten nicht mit absoluter Sicherheit, ob sie Mikroben auf dem Mars aufspüren würden. Die NASA hat große Anstrengungen unternommen, um den Mars 2020 Rover zu sterilisieren, indem sie ihn bei sterilen Temperaturen gebacken und alle Teile mit sterilen Tüchern abgewischt hat. Diese Studie unterstreicht, wie erstaunlich wichtig es ist, ein Raumfahrzeug völlig frei von Mikroben zu halten.
Yamagishi hofft, weitere Expositionsversuche noch weiter von der Erde entfernt durchführen zu können, unter anderem auf dem von der NASA vorgeschlagenen Lunar Gateway in der Nähe des Mondes. Und um die Frage nach den Ursprüngen des Lebens zu klären, entwickelt sein Team ein Mikroskop, um unter der Marsoberfläche nach Leben zu suchen.
„Wir wissen jetzt, dass Leben in Umgebungen überleben kann, in denen wir es nicht für möglich hielten“, sagt Grefenstette. „Diese Studie zeigt, dass wir die Grenze dessen, was Leben auf der Erde erreichen kann, immer weiter hinausschieben.“