Dennis L.
Asteroideneinschläge gelten als extrem lebensfeindlich, weil sie Materie in Mikrosekunden gewaltigen mechanischen Belastungen aussetzen. Genau diese Phase haben Forscher nun mit einem Hochdruckversuch nachgebildet. Im Zentrum stand ein extrem widerstandsfähiges Bakterium, das Druckstöße im Bereich mehrerer Gigapascal aushalten musste. Die Messwerte verschieben damit eine alte Debatte aus der Astrobiologie in Richtung experimentell prüfbarer Physik.
Wenn über die Verbreitung von Leben im Sonnensystem gesprochen wird, fällt oft der Begriff Lithopanspermie. Gemeint ist die Möglichkeit, dass Mikroben in Gestein eingeschlossen werden, durch große Einschläge aus einem Planetenkörper herausgeschleudert werden und später auf einem anderen Himmelskörper wieder landen. Die Idee ist deshalb ernst zu nehmen, weil Marsmeteoriten bereits auf der Erde gefunden wurden und damit feststeht, dass Materialtransfer zwischen Planeten grundsätzlich vorkommt. Offen war jedoch lange, ob biologische Strukturen den ersten und mechanisch brutalsten Schritt eines solchen Transfers überhaupt überstehen können. Asteroideneinschläge erzeugen lokal extreme Druckspitzen, starke Beschleunigungen und Temperaturanstiege. Gleichzeitig entstehen aber nicht überall identische Bedingungen. In Randbereichen des Auswurfs können Gesteinsfragmente vergleichsweise moderaten Belastungen ausgesetzt sein. Genau dort liegt der astrobiologische Reiz der Hypothese, denn schon kleine geschützte Mikroräume könnten ausreichen, damit Mikroben kurzfristig funktionsfähig bleiben.
Für eine belastbare Prüfung dieser Idee reicht es nicht, nur auf bekannte Überlebenskunststücke von Bakterien unter Trockenheit, Kälte oder Strahlung zu verweisen. Entscheidend ist der Stoßdruck während des Auswurfs, also die mechanische Last in einem Zeitraum von nur wenigen Millionstel Sekunden. Solche kurzzeitigen Belastungen unterscheiden sich deutlich von langsam ansteigendem Druck in geologischen oder technischen Systemen. Hinzu kommt, dass Mikroben nicht frei im Raum schweben würden, sondern typischerweise in Poren, Rissen oder feinen Zwischenräumen von Gesteinsfragmenten sitzen. Ihre Überlebenschancen hängen deshalb nicht nur von der Biologie, sondern ebenso von Materialeigenschaften, Geometrie und Wellenausbreitung im Gestein ab. Für die Raumfahrt ist das unmittelbar relevant, weil Planetary Protection nicht nur die Suche nach außerirdischem Leben betrifft, sondern auch die Frage, ob irdische Organismen ungewollt mit Raumsonden oder Rückführproben transportiert werden könnten. Was beim Auswurf aus einem Krater geschieht, ist daher nicht bloß eine exotische Ursprungsfrage, sondern auch ein praktisches Problem der Missionsplanung.
Dass Asteroideneinschläge für die Astrobiologie mehr sind als spektakuläre Zerstörungsereignisse, liegt an ihrer Doppelrolle. Einerseits vernichten sie lokal Lebensräume, andererseits schleudern sie Material mit hoher Geschwindigkeit in den Weltraum und können so Brücken zwischen Himmelskörpern schaffen. Für den geologischen und chemischen Kontext des Mars ist das besonders wichtig, weil Marsmeteoriten zeigen, dass Gestein den Planeten verlassen und die Erde erreichen kann. Damit wird die Frage nach eingeschlossenen Mikroben automatisch konkret. Nicht jedes Auswurfteilchen erlebt denselben Stoßdruck, weil die Belastung je nach Position relativ zum Einschlag stark variiert. Modelle gehen deshalb schon länger davon aus, dass manche Gesteinsfragmente eher abgespalten als vollständig schockgeschmolzen werden. Genau in solchen Bereichen könnten Porenräume, Mineralkörner und dünne Wasserfilme kurzfristig Schutz bieten. Asteroideneinschläge sind also biologisch relevant, weil sie nicht nur vernichten, sondern unter bestimmten Bedingungen auch als Transportmechanismus wirken können. Die offene Frage war bislang, wo die physikalische Obergrenze für Mikroben tatsächlich liegt.
In der jetzt veröffentlichten PNAS-Nexus-Studie zum Marsauswurf setzten die Autoren nicht auf grobe Einschlagssimulationen, sondern auf ein kontrolliertes Druck-Scher-Plattenexperiment. Dafür brachten sie rund 1 × 10^9 Zellen von Deinococcus radiodurans zwischen zwei Membranen und feuchten Filterlagen in einen nur etwa 400 Mikrometer dicken Probenaufbau ein, der zwischen Stahlplatten eingespannt wurde. Ein Projektil traf diese Anordnung unter einem Winkel von 20 Grad und erzeugte für etwa eine Mikrosekunde genau messbare Belastungen. Der Druckbereich lag zwischen 0 und 3 GPa und wurde bewusst so gewählt, dass er zu Szenarien passt, wie sie beim Auswurf von Marsgestein nach einem Einschlag diskutiert werden. Anschließend prüfte das Team die Proben mit Koloniezählungen, Elektronenmikroskopie und RNA-Sequenzierung. Damit ließ sich nicht nur erfassen, ob Zellen überleben, sondern auch, ob sie strukturell geschädigt werden und welche Reparaturprogramme nach dem Stoßdruck anspringen.
Die Ergebnisse zeigen, dass Deinococcus radiodurans mechanische Belastungen deutlich besser übersteht als viele zuvor untersuchte Mikroorganismen. Bei 1,4 GPa lag die mittlere Überlebensrate bei etwa 95 Prozent, bei 1,9 GPa noch bei rund 86 Prozent und bei 2,4 GPa immer noch bei ungefähr 60 Prozent. Selbst bei 2,9 GPa waren noch überlebende Zellen nachweisbar, auch wenn die Rate dort deutlich unter 10 Prozent fiel. Aus der Anpassung der Messkurve leiteten die Autoren ab, dass die Überlebenswahrscheinlichkeit erst bei etwa 3,1 GPa unter 10^-6 sinken dürfte. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten bei 1,4 GPa kaum sichtbare Schäden, bei 2,4 GPa dagegen Membranrupturen und innere Strukturdefekte. Parallel dazu lieferte die RNA-Sequenzierung mit insgesamt 189,96 Millionen Reads und 9,68 Gigabasen Hinweise auf eine starke molekulare Stressantwort. Hochreguliert waren vor allem Reparaturwege für DNA und Zellschäden, während Wachstums- und Membranaufbauprogramme zurückgingen. Das passt zu früheren Überlegungen, dass eine interplanetare Reise robuster Bakterien nicht an jeder Phase gleichermaßen scheitern muss.
Die neue Arbeit beantwortet nicht die gesamte Frage der Lithopanspermie, aber sie verschiebt den Schwerpunkt der Debatte. Getestet wurde nur die Auswurfphase und nicht der vollständige Weg durch das All, also weder jahrelange Strahlenbelastung noch der spätere Eintritt und Aufprall auf einem Zielkörper. Trotzdem ist der Befund wichtig, weil gerade dieser erste Schritt lange als besonders kritisch galt. Wenn Mikroben in Gesteinsfragmenten Stoßdruck im Bereich mehrerer Gigapascal überstehen können, wird die Existenz biologisch relevanter Transportpfade zwischen Planetenkörpern plausibler. Für Planetary Protection ist das heikel, weil sich daraus strengere Maßstäbe für Probenrückführungen und für die Bewertung von Material aus der Umgebung alter Einschlagzonen ergeben können. Nach Darstellung des Johns-Hopkins-Forschungsteams betrifft das auch Überlegungen zu Marsmaterial auf Phobos. Für die Interpretation von organischen Molekülen auf dem Mars heißt das zugleich, dass Herkunft und Transportweg künftig noch sorgfältiger getrennt werden müssen.
PNAS Nexus, Extremophile survives the transient pressures associated with impact-induced ejection from Mars; doi:10.1093/pnasnexus/pgag018
