Der jüngste wichtige Fortschritt bei der Suche nach Leben jenseits der Erde könnte in den charakteristischen Schleppbewegungen schwimmender Mikroben liegen, die in fast jedem Winkel des Planeten zu finden sind, sagen Experten. Mikroben sind in der Biosphäre unseres Planeten allgegenwärtig, denn viele von ihnen sind in der Lage, unter rauen Bedingungen zu existieren und zu gedeihen, die das Vorhandensein größerer, komplexerer Lebensformen eindeutig ausschließen. Diese bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit ist auch der Grund, warum Astrobiologen sie so gerne erforschen möchten.
Wenn beispielsweise Mikroben in Seen unter der südlichen Polkappe der Erde gedeihen können, dann könnten ähnliche Organismen vielleicht auch in Umgebungen jenseits unseres Planeten existieren, etwa in den eisbedeckten Ozeanen des Jupitermondes Europa oder in den unterirdischen Feuchtgebieten des Mars. Aber es geht nicht nur darum, zu zeigen, dass Leben an solchen fremden Orten existieren kann, sondern vielmehr darum, zu bestätigen, dass es dort existiert. Und um das zu tun, muss man zeigen, dass es existiert. Die meisten Forschungsarbeiten, die sich mit der Suche nach Leben auf anderen Himmelskörpern befassen, suchen nach chemischen Spuren - Biosignaturen -, die fremde Mikroben in ihrer Umgebung als Nebenprodukt ihres Stoffwechsels erzeugen könnten.
In jüngster Zeit hat sich jedoch ein neuer Ansatz herauskristallisiert, der auf der selbstgesteuerten Bewegung (Motilität) von Mikroben beruht.
Bewegliche Mikroben
Bis vor kurzem war die Untersuchung der Motilität von Mikroben eine teure und zeitaufwändige Aufgabe, die sich nicht für die Ausrüstung von robotischen Raumfahrtmissionen eignete. Genau das hat eine Gruppe deutscher Astrobiologen dazu veranlasst, eine einfachere und kostengünstigere Methode zur Überwachung der Motilität zu entwickeln. Ihre Lösung wird in einem Artikel vorgestellt, der gerade in der Zeitschrift Frontiers in Astronomy and Space Sciences veröffentlicht wurde.
In ihrer Studie konzentrierten sich die Forscher auf drei Mikrobenarten (Bacillus subtilis, Pseudoalteromonas haloplanktis und Haloferax volcani), von denen bekannt ist, dass sie extremophil sind, d. h. in der Lage, extreme Temperaturen, Drücke oder chemische Bedingungen zu überleben. Die Grundfrage des Experiments war einfach: Ist es möglich, Mikroben dazu zu bringen, auf nachweisbare und reproduzierbare Weise zu einer Nährstoffquelle zu schwimmen?
Zu diesem Zweck wurden mit Mikroben gefüllte Wassertröpfchen auf einer Seite eines Objektträgers mit zwei Kammern platziert. Auf der anderen Seite befand sich eine wässrige Lösung mit einem hohen Gehalt an L-Aminosäuren, die für die Proteinsynthese und die Zellvermehrung entscheidend sind. Jede Mikrobenart wurde separat in dreistündigen Schritten getestet, und alle drei Arten erwiesen sich als beweglich: Die Mikroben schwammen aus der ursprünglichen Kammer heraus und bildeten "Kleckse" in der Kammer, die L-Serin enthielt. (Diese Tendenz von Mikroben, sich von bestimmten Chemikalien weg oder zu ihnen hin zu bewegen, wird als Chemotaxis bezeichnet).
Im Fall der in dem Experiment untersuchten Organismen "ist Chemotaxis die Fähigkeit von Mikroben, Moleküle aufzuspüren und sich zu ihnen hinzubewegen, die für sie nützlich sind, insbesondere wenn sie für den Stoffwechsel wichtig sind", erklärt Max Riekeles, Doktorand an der Technischen Universität Berlin, Deutschland, der der Hauptautor der Studie ist, in der die Ergebnisse vorgestellt werden.
"Mit unserer speziellen Anordnung wollten wir die visuellen und rechnerischen Aspekte der Untersuchung der Chemotaxis vereinfachen."
- fügt der Experte hinzu.
Das Problem bei bisherigen Chemotaxis-basierten Methoden zur Stimulierung und Beobachtung mikrobieller Bewegungen ist, dass es schwierig ist, chemische Gradienten zu erzeugen, die zuverlässig, stabil und vorhersehbar sind, sagt Christian Lindensmith, Astrobiologe am Jet Propulsion Laboratory der NASA. Darüber hinaus ist die Beobachtung von Motilität schwierig, weil das Sichtfeld von Mikroskopen klein ist und Mikroben sich aus anderen, völlig unabhängigen Gründen bewegen können, wie z. B. durch thermische Durchmischung und Trägheitsdrift. "Es ist alles sehr komplex, als würde man einen mikroskopischen Zoo betreiben", sagt Lindensmith.
Geheimnisvolle Menüs
In dem neuen Experiment erwies sich die Gelmembran, die die beiden Kammern trennt, als Schlüssel zur Minimierung solcher Schwierigkeiten, da sie die Fähigkeit der Mikroben, sich zu bewegen, erheblich einschränkte. Dieses halbdurchlässige Gel wirkte im Wesentlichen wie eine Einwegbarriere, die es den Bakterien ermöglichte, relativ schnell von einer Seite aus durchzukommen, während sie den Austritt von L-Serin auf der anderen Seite verlangsamte und so den Bewegungsdrang der Mikroben aufrecht erhielt. Jay Nadeau, Astrobiologe und Professor für Physik an der Portland State University, sagte, dass dies definitiv eine gute Wahl war, da es viel einfacher war, die Bewegung der Mikroben zu studieren - vor allem, da die Barriere sie auf der L-Serin-Seite hielt, sobald sie sie überschritten hatten.
Solche technischen Fortschritte könnten für künftige Weltraummissionen auf der Suche nach Leben äußerst nützlich sein, sagen Nadeau und Lindensmith, die zuvor mit Riekeles zusammengearbeitet haben, aber nicht an der neuen Forschung beteiligt waren. "Eines der großen Probleme, wenn man so etwas auf einem anderen Himmelskörper macht - vor allem, wenn es dort sehr kalt ist, wie auf Europa - ist, was passiert, wenn diese fremden Organismen sehr, sehr langsam schwimmen? - sagt Nadeau. "In diesem Fall könnte man sie für eine Woche oder länger zurücklassen und dann zu ihnen zurückkehren."
Mit der neuen Methode müssen die Forscher das System nicht mehr ständig auf auffällig schwimmende Mikroben überwachen, sondern können einfach nach Mikroben in der mit Nährstoffen gefüllten Kammer suchen. "Dieser Teil ist also sehr einfach", sagt Lindensmith.
"Die Schwierigkeit besteht darin, herauszufinden, was man auf der anderen Seite als Köder auslegen kann."
Während irdische Organismen L-Serin und andere ähnliche Nahrungsmittel mögen, gibt es keine Garantie dafür, dass diese Materialien für außerirdische Organismen mit potenziell anderen biochemischen Eigenschaften attraktiv sind.
Selbst wenn wir davon ausgehen, dass die grundlegenden Nährstoffe für das Leben im gesamten Kosmos ähnlich sind, gibt es noch weitere Hürden, bevor diese Methode bei einer tatsächlichen interplanetaren Astrobiologie-Mission als Messinstrument eingesetzt werden kann. Für Riekeles besteht die nächste Herausforderung nicht nur darin, diese Technik mit umfangreicheren Experimenten weiter zu verfeinern, sondern sie auch mit verschiedenen Arten von Mikroben und Aminosäuren zu testen.
"Eines der Ziele der Astrobiologie ist es, zu anderen Himmelskörpern zu reisen und dort nach Mikroorganismen zu suchen, aber in der Zwischenzeit können wir auf der Erde eine Menge tun, die wichtige Informationen liefern wird", sagt Nadeau. Und diese neue Methode der mikrobiellen Selektion ist ein großartiges Beispiel für eine einfache, aber wichtige Entwicklung, auf die man bei künftigen Bemühungen aufbauen kann. "Wir wissen nicht, was es da draußen gibt", sagt Lindensmith, daher ist die Diversifizierung der Instrumente und Techniken zur Untersuchung des Lebens auf unserem eigenen Planeten ein wichtiger Schritt.
"Wir müssen in der Lage sein, all dies auf der Erde zu tun, bevor wir das Gleiche in sinnvoller Weise auf anderen Himmelskörpern tun können.
