Hitze, Druck, Säure – selbst an den unwirtlichsten Orten wie etwa heißen Quellen gedeihen Bakterien und andere Mikroorganismen. Man nennt sie extremophil. Forscher halten es für möglich, sie auch auf anderen Planeten zu finden – etwa auf dem Mars.
Stuttgart - Das 75 mal 91 Meter große und rund 49 Meter tiefe Becken der Thermalquelle Grand Prismatic Spring im Yellowstone-Nationalpark im US-Bundesstaat Wyoming zählt zu den faszinierendsten Orten der Erde. Je nach Jahreszeit zeigt sich ihr Wasser in den Farben zwischen Grün und Rot, während es im Zentrum der Quelle tiefblau erscheint. Verursacht wird dieses Spiel der Farben an den Randbereichen der mineralreichen Quelle von einzelligen Mikroorganismen, die in diesem extremen, vom menschlichen Standpunkt aus tödlichen Milieu nicht nur überleben, sondern leben und gedeihen.
Ähnliches gilt für den Mono Lake in Kalifornien. Es ist ein Natronsee, der sich durch einen hohen pH-Wert auszeichnet. Selbst in der Tiefsee bei Drücken von mehreren 100 bar sind die extremophilen Mikroorganismen zu finden, die das Extreme lieben. Sogar radioaktive Strahlung und das Vakuum des Weltalls machen diesen Bakterien und Viren nichts aus. Es scheint keinen Raum auf unserer Erde zu geben, der nicht von den Extremophilen besiedelt ist.
„Man hat zwar noch nicht jedes erdenkliche Habitat auf der Erde untersucht, doch nach allem, was wir bis jetzt wissen, sind alle oberflächennahen Bereiche mehr oder weniger von Mikroorganismen besiedelt“, sagt der Geomikrobiologe Dirk Wagner, der am Geoforschungszentrum Potsdam und der dortigen Universität arbeitet. Doch auch für diese „Superbugs“ gibt es eine Grenze, und das ist die Temperatur: Bei sehr großer Hitze zerfallen auch die letzten Proteine in den Zellen der Mikroorganismen. „Ist die Temperatur zu hoch, wie es beispielsweise in einem Vulkan oder auch sehr tief in der Erdkruste – also bei mehr als vier bis sieben Kilometer – der Fall ist, so muss man diese Habitate ausnehmen“, sagt Wagner.
Ein Druck von 1200 Atmosphären? Kein Problem
So kann die Wissenschaft mit einem Who’s who der Extremophilen aufwarten. Die Mikroorganismen der Art Pyrolobus fumarii ertragen zum Beispiel Temperaturen bis 113 Grad Celsius und leben an sogenannten Schwarzen Rauchern: heißen und mineralreichen Quellen in der Tiefsee. Picrophilus torridus lebt wiederum in sauren, vulkanischen Quellen und erträgt noch den pH-Wert von 0 – so sauer ist es beispielsweise in einer Batterie. Und den Bakterien und Seegurken am Boden des Marianengrabens macht ein Druck von 1200 Atmosphären nichts aus. Übertroffen werden sie nur noch von in Gesteinen lebenden Bakterien aus 3,2 Kilometer Tiefe.
Es sind Bedingungen, wie sie auch kurz nach der Geburt der Erde geherrscht haben: Hitze, Säure, Schwefel, Kohlendioxid, Meteoriteneinschläge – für extremophile Bakterien die ideale Umgebung, weshalb sie wohl die ersten Siedler waren. „Das könnte an den Schwarzen Rauchern der Fall gewesen sein“, sagt Wagner, „oder in den von Fluid durchflossenen Poren des Gesteins im Innern der Erdkruste.“
Doch was macht die Lebewesen so zäh? „Es hat zum einen mit der Evolution und damit mit der genetischen Anpassung zu tun“, erklärt Wagner. „Diese Organismen haben eine Vielzahl von Mechanismen entwickelt, die dazu führen, dass beispielsweise ihre Zellmembran stabil bleibt, dass ihre Proteine unter den gegebenen Bedingungen auch einen Stoffwechsel beibehalten können, der letztendlich das Leben ermöglicht.“ So lagern einige im Polareis beheimatete Algen Zucker ein, um gefrorenes Wasser zu schmelzen und zu verhindern, dass sich Eiskristalle bilden, deren Zacken und Kanten die Membran und andere Zellbestandteile zerschneiden können. Andere Bewohner der Antarktis produzieren ihr eigenes Frostschutzmittel, indem sie kleine Moleküle bilden, die sich an Eiskristalle binden und deren Wachstum verhindern.
Forscher simulieren die Bedingungen auf dem Mars
Wenn nun die extremophilen Mikroorganismen schon auf der Erde so Erstaunliches leisten, warum nicht auch auf anderen Welten wie dem Mars, dem Jupitermond Europa und dem Saturnmond Titan? Am einfachsten nachzuprüfen ist das auf dem Mars, da er nicht so weit von der Erde entfernt ist wie Europa und Titan. So ist der Mars zwar heute eine Kältewüste, dessen schwaches Magnetfeld und dünne Atmosphäre nur wenig Schutz vor harter Strahlung aus dem All bietet. Allerdings gibt es zahlreiche Indizien dafür, dass sich auch dort Leben entwickelt hat. Die bisher gewonnenen Daten lassen den Schluss zu, dass die klimatischen Bedingungen zu Anfang der Entwicklungsgeschichte des Mars jener Zeit der jungen Erde ähnelten, als hier das Leben entstand. „Und wenn man davon ausgeht, dass sich unter ähnlichen Bedingungen halt auch ähnliche Biomoleküle bilden“, sagt Wagner, „dann wäre es eigentlich richtig anzunehmen, dass auf dem Mars eine ähnliche Entwicklung wie auf der Erde stattgefunden hat.“ Allerdings stelle sich in diesem Fall die Frage, was mit dem Leben geschehen ist, als der Mars seine dichte Atmosphäre und das fließende Wasser in seinen Tälern und Becken verlor.
Als entscheidender Hinweis wird das Vorhandensein von Wasser gesehen: Es existiert auf dem Mars im gefrorenen Zustand und in Form von Morgennebel über den Geröllebenen. „Darüber hinaus wissen wir, dass es Methan in der Marsatmosphäre gibt“, sagt Wagner. Diese Gasmoleküle können noch nicht lange existieren, da sie im Sonnenlicht bald zerfallen. „Es kommen nur zwei Quellen infrage: aktive Geologie wie Vulkanismus, den wir jedoch bisher auf dem Mars nicht haben finden können“, sagt Wagner, „oder biologische Prozesse.“
Auch auf der Erde gehen Wagner und seine Kollegen der Möglichkeit marsianischen Lebens in Experimenten nach. So haben sie mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt die Marsoberfläche in einer speziellen Kammer simuliert und Permafrostorganismen drei Wochen erfolgreich marsianischen Verhältnissen ausgesetzt. Ein weiterer Härtetest zusammen mit anderen Organismen soll auf der Internationalen Raumstation ISS unter Weltraumbedingungen erfolgen.
Die Versuchsdaten können dann eine Art Richtschnur für zukünftige Marsmissionen und die Suche nach mikrobiellem Leben sein, wie die für 2018 geplante europäische Exo-Mars-Mission. „Dazu müssen wir sehen, welche Organismen unter welchen Bedingungen überleben“, sagt Wagner. „Und wenn sie es nicht schaffen, so ist interessant, was von diesen Organismen übrig bleibt, denn das könnten auch Spuren sein, nach denen es sich lohnt zu suchen.“
Zwei noch unerforschte Kandidaten für extremophiles Leben
Wostoksee
Seit einigen Jahren ist durch Radaruntersuchungen bekannt, dass sich unter dem Eisschild der Antarktis mehr als 150 Seen befinden. Der Wostoksee ist mit der größte von ihnen und liegt in einer Tiefe von 3700 bis 4100 Metern. Da neben seiner Temperatur auch der Sauerstoffgehalt sehr hoch ist, bietet der Wostoksee vermutlich einen sehr extremen Lebensraum, der vielleicht sogar dem der frühesten Zeit unserer Erde ähnlich ist. Im vergangenen Frühjahr haben russische Forscher den See nach fast 20 Jahren Arbeit angebohrt. Erste Proben werden derzeit analysiert.
Jupitermond
Ähnliche Verhältnisse scheinen auf dem Jupitermond Europa (Durchmesser 3121 Kilometer) zu herrschen. Unter der 10 bis 15 Kilometer dicken Kruste aus Wassereis, deren glatte Oberfläche mit ihren Strukturen sehr an Eisfelder der irdischen Polarregionen erinnert, wird ein bis zu 100 Kilometer tiefer Ozean aus Wasser vermutet. Das lässt Spekulationen darüber aufkommen, ob es in Europas Ozeanen Formen von Leben gibt, wie sie auf der Erde in den hydrothermalen Quellen am Boden der Tiefsee (sogenannten Schwarzen Rauchern) vorkommen. Dort herrschen extreme Bedingungen, vor allem weil Sonnenlicht fehlt. Die notwendige Wärme könnte auf Europa durch die vom Jupiter ausgeübten Gezeitenkräfte entstehen, welche die Kruste bewegen und die Oberfläche um 30 Meter heben und senken.