Neue Methode könnte helfen, Lebenszeichen auf eisigen Monden des Sonnensystems zu identifizieren

Zukünftige Missionen könnten Proben aus Umgebungen sammeln, die Leben beherbergen könnten, wie Enceladus, einem der Saturnmonde: Die räumliche Orientierung von Molekülen und die Vielfalt zwischen einfachen und komplexen Formen gehören zu den am leichtesten zu gewinnenden Hinweisen. https://www.terra.com.br/noticias/cientistas-propoem-metodo-da-ecologia-para-saber-se-luas-geladas-do-sistema-solar-podem-abrigar-vida,a55db6fb5b96f56aa190b87cbf141ac142zzo289.html?utm_source=clipboard Jason Major, Cassini spacecraft/Flickr, CC BY-NC-SA Neue Observatorien und Weltraummissionen untersuchen Umgebungen in unserem Sonnensystem, die Leben beherbergen könnten, aber lange Zeit verborgen geblieben sind.

Eisige Monde wie der Saturnmond Enceladus und der Jupitermond Europa haben wahrscheinlich riesige Ozeane unter ihren gefrorenen äußeren Krusten. Aber dicke Eisschichten hindern Raumsonden daran, direkt Proben zu nehmen.

Die Erforschung dieser eisigen Monde gleicht fast forensischer Arbeit: Ihre Oberflächen bewahren eine partielle Aufzeichnung der unzugänglichen Innenräume. Daher benötigen Wissenschaftler Werkzeuge, die ihnen helfen herauszufinden, ob es in den darunter liegenden Umgebungen Hinweise auf Leben gibt, ohne sie direkt zu beobachten. Ich bin Planetenforscher, und meine Kollegen und ich haben ein Werkzeug entwickelt, das dabei helfen kann, zu bewerten, ob eine Umgebung die richtigen Bedingungen für Leben bietet, basierend auf den Mustern der Molekültypen, die in einer Probe gefunden werden. Fingerabdrücke des Lebens Die Suche nach Leben beginnt in der Regel mit organischen Molekülen: den kohlenstoffbasierten Molekülen, aus denen das Leben auf der Erde aufgebaut ist.

Zwei besonders wichtige Molekülfamilien sind Aminosäuren, die Zellen zum Aufbau von Proteinen nutzen, und Fettsäuren, die beim Aufbau von Zellmembranen helfen. Jetzt auf g1 Aber diese Moleküle sind nicht exklusiv für das Leben – sie können sich auch durch nicht-biologische oder abiotische chemische Prozesse bilden.

Wissenschaftler haben sie zuvor bereits in Asteroiden und Meteoriten nachgewiesen. Da der Nachweis von Aminosäuren oder Fettsäuren in einer Planetenumgebung allein Forschern nicht verrät, ob sie durch Leben oder durch nicht-biologische Prozesse produziert wurden, müssen sie nach zusätzlichen Hinweisen suchen. Ein Hinweis ist die räumliche Orientierung des Moleküls oder seine „Chiralität“.

Bestimmte Aminosäuren kommen in zwei spiegelbildlichen Formen vor. Nicht-biologische Prozesse produzieren oft beide Formen in ähnlichen Mengen, während das Leben auf der Erde fast ausschließlich die linksseitigen Formen verwendet.

Ein starker Überschuss einer Form kann auf die Anwesenheit von Leben hinweisen. Ein weiterer Hinweis findet sich im Gleichgewicht zwischen schwereren und leichteren Formen, den sogenannten Isotopen, desselben chemischen Elements innerhalb der Moleküle. Normalerweise bevorzugt es das Leben, die leichteren Formen zu verwenden. Beide Hinweise sind starke Indikatoren, aber im Weltraum schwer zu messen.

Sie erfordern empfindliche Instrumente, saubere Proben und oft mehr Material, als ein Raumfahrzeug beschaffen kann. Das heißt, aktuelle und für die Zukunft geplante Missionen können eine eingeschränktere – aber dennoch wertvolle – Art von Messung liefern: eine Liste von Molekülen und die Verhältnisse, in denen sie gefunden werden. Unsere Studie zeigt, wie Forscher diese einfacheren Informationen nutzen können, um mehr über den chemischen Ursprung der Moleküle zu erfahren. Erforschung der Vielfalt Das Leben produziert bestimmte Moleküle nicht nur – es produziert sie in einzigartigen Musteranordnungen.

Lebende Systeme investieren Energie in die Produktion von Molekülen, die spezifische Funktionen erfüllen, selbst wenn diese Moleküle komplex und schwieriger zu bilden sind. Proteine erfordern zum Beispiel einen großen Satz an Aminosäuren, einschließlich einiger relativ komplexer. Nicht-biologische Chemie kann ebenfalls Aminosäuren produzieren, erzeugt jedoch typischerweise die einfacheren.

In unserer Studie untersuchten wir, ob diese Moleküle ein statistisches Muster hinterlassen, das als Biosignatur dienen könnte: ein messbarer Hinweis, der auf die Anwesenheit von Leben hindeuten kann. Um diese Idee zu quantifizieren, nutzten wir eine Methode aus der Ökologie namens Diversitätstheorie. Ökologen fragen nicht nur, wie viele Arten in einem bestimmten Ökosystem existieren, sondern auch, wie diese Arten verteilt sind: ob die Gemeinschaft von wenigen sehr häufigen Arten dominiert wird oder von vielen Arten, die in vergleichbaren Anzahl vorkommen.

Das Ziel der Diversitätstheorie ist es, sowohl eine Artenliste zu erstellen als auch die Verbreitung jeder einzelnen zu erfassen. Wir wandten dieselbe Logik auf Moleküle an. Innerhalb einer Familie, wie der der Aminosäuren, behandelten wir jedes Molekül wie eine Art in einer ökologischen Gemeinschaft und maßen dessen Abundanz.

Wir wollten wissen: Ist eine bestimmte Mischung von Molekülen gleichmäßig auf verschiedene Typen verteilt oder wird sie von nur wenigen von ihnen dominiert? Und könnte dieses Muster den Prozess widerspiegeln, der diese Moleküle erzeugt hat, sei er biologisch oder nicht-biologisch? Testen der Struktur Um diese Idee zu testen, stellten wir einen bewusst breiten Datensatz zusammen, der Aminosäuren aus verschiedenen Quellen enthielt: Meteoriten, Proben von Asteroidenmissionen, Laborsimulationen nicht-biologischer Chemie, moderne Organismen, Sedimente, alte Fossilien und Proben aus verschiedenen Umgebungen auf der Erde. Anschließend taten wir dasselbe mit Fettsäuren.

Für die Aminosäuren fanden wir eine klare Unterscheidung. Biologische Proben neigten dazu, viele komplexe Aminosäuren zu enthalten, in ähnlichen Anteilen wie die einfacheren. In nicht-biologischen Proben waren diese komplexen Aminosäuren im Allgemeinen knapper – das heißt, sie wurden stärker von einfachen Molekülen dominiert.

Dieses Ergebnis macht Sinn. Wenn die Biologie in der Lage ist, die chemischen Engpässe zu überwinden, die zur Erstellung komplexerer Moleküle erforderlich sind, würde man erwarten, mehr dieser Moleküle zu sehen. Andererseits ist die nicht-biologische Chemie begrenzter und wird von Molekülen dominiert, die sich zufällig bilden. Es ist viel unwahrscheinlicher, dass sich unter nicht-biologischen Bedingungen komplexe Moleküle bilden.

Fettsäuren zeigten ein entgegengesetztes, aber gleichermaßen informatives Muster. Fettsäureketten bilden die äußeren Membranen lebender Zellen. Wir fanden heraus, dass in biologischen Proben die Fettsäureketten alle eine ähnliche Länge aufwiesen. Im Gegensatz dazu zeigten nicht-biologische Proben eine breitere Verteilung der Kettenlängen.

Obwohl – im Gegensatz zu den Ergebnissen bei den Aminosäuren – nicht-biologische Proben eine größere Vielfalt an Fettsäuren aufwiesen, stützte diese Entdeckung über die Kettenlänge die Hauptidee hinter unserer Forschung: Das Leben formt molekulare Mischungen entsprechend der Funktion. Zusammengenommen legen unsere Ergebnisse nahe, dass die molekulare Vielfalt als eine neue Art von Biosignatur dienen kann.

Sie kann die Anwesenheit von Leben nicht allein beweisen und muss in Verbindung mit anderen Messungen interpretiert werden. Sie bietet jedoch eine praktische Möglichkeit, die Art von Daten zu nutzen, die Raumsonden am ehesten beschaffen können: die Verhältnisse der Moleküle. Auf der Suche nach Leben im Sonnensystem und darüber hinaus Es ist unwahrscheinlich, dass zukünftige Raumsonden intaktes biologisches Material finden, selbst wenn es existiert.

Es ist wahrscheinlicher, dass sie chemische Spuren von Molekülen finden, die durch die rauen Bedingungen auf Planetenoberflächen verändert wurden. Als Nächstes wollten wir wissen, wie lange das Diversitätssignal in der Art von feindlicher Umgebung überleben kann, in der Wissenschaftler suchen könnten, wie der Oberfläche des Jupitermons Europa. Dessen Oberfläche wird kontinuierlich von energetischen Teilchen bombardiert, die im Magnetfeld von Jupiter eingefangen sind, was verschiedene organische Moleküle mit unterschiedlichen Raten zersetzen kann.

Nases Raumsonde Europa Clipper wird um den Jupitermond fliegen und Messungen durchführen, um zu untersuchen, ob er Leben beherbergen könnte. NASA/JPL-Caltech Wir modellierten, wie sich diese Moleküle unter diesen Bedingungen zersetzen würden, und fanden heraus, dass das Diversitätssignal jahrtausendelang erkennbar bleiben könnte, wenn die Moleküle unter einigen Zentimetern Eis vergraben sind. Das Signal ist nicht unzerstörbar, erfordert aber keine außergewöhnlich frische Probe.

Unsere Ergebnisse legen nahe, dass in einigen Fällen das vom Leben hinterlassene Muster selbst dann noch erkennbar sein kann, wenn die einzelnen Moleküle beginnen sich zu zersetzen. Die Hauptbotschaft unserer Studie ist, dass das Leben die Chemie auf Weisen organisiert, die auch dann noch bestehen bleiben können, wenn diese Inhaltsstoffe verändert werden.

Lebende Systeme organisieren Moleküle entsprechend den biologischen Bedürfnissen, während die nicht-biologische Chemie im Allgemeinen dem folgt, was am einfachsten zu produzieren ist. Wenn diese Organisation in Planetenmaterialien überleben kann, könnten zukünftige Weltraummissionen nicht nur nach den Bausteinen des Lebens suchen, sondern auch nach dem tieferen statistischen Muster, das das Leben hinterlässt. Gideon Yoffe berät, arbeitet, besitzt Aktien oder erhält Finanzierungen von keinem Unternehmen oder keiner Organisation, die von der Veröffentlichung dieses Artikels profitieren könnte, und hat über seine akademische Position hinaus keine relevanten Verbindungen offengelegt.