Wie entsteht Leben im Universum?

Unsere Gesprächrunde mit der in Kuchl bei Salzburg geborenen Astronomin und Astrophysikerin Lisa Kaltenegger – gehört zu den Spitzen ihres Faches – und findet im gut besuchten Gartencafé am Campus der Cornell-Universität statt. Die frühsommerliche Sonne sorgt für Idealbedingungen, um sich den Kopf darüber zu zerbrechen, was erforderlich ist, damit reges Leben wie hier entstehen kann, und wie wir Vergleichbares irgendwo im Universum entdecken könnten.

Terra Mater: Sie suchen nach Leben auf Planeten, die hunderte Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Von welchen Grundannahmen gehen Sie dabei aus?

Lisa Kaltenegger: Zunächst geht es um die Frage, wie weit sich Leben entwickelt haben muss, damit wir es aus der Ferne entdecken können. Und die Antwort lautet: sobald es die Atmosphäre eines Planeten oder Mondes verändert.

Wenn man nach Leben sucht, schaut man natürlich auf die Erde zurück – den einzigen Planeten mit Leben, den wir kennen. Die Erde ist rund sechs Milliarden Jahre alt. Das erste Leben entstand vor 3,9 bis 3,5 Milliarden Jahren und produzierte Kohlendioxid und Methan, das hat also die Atmosphäre verändert. Erst vor 2,5 Milliarden Jahren stieg der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre stark an und liegt heute bei 21 Prozent.

Sie suchen also nach Indizien, die auf Leben hinweisen.

Genau. Wobei wir vorsichtig sein müssen: Auf der Erde gab es über eine Milliarde Jahre lang Leben – aber trotzdem nur Kohlendioxid und Methan in der Atmosphäre. Diese Gase entweichen auch aus Vulkanen. Somit können wir Organismen, wie wir sie aus der Frühzeit des Lebens auf der Erde kennen, nicht über kosmische Entfernungen hinweg messen.

Anders ist es beim Sauerstoff. Sauerstoff reagiert sehr leicht mit Kohlendioxid und Wasser und verschwindet daher rasch aus der Atmosphäre – außer es gibt Leben, das mit seinem Stoffwechsel ständig für Sauerstoffnachschub sorgt. Große Mengen Sauerstoff auf einem Planeten mit gemäßigtem Klima lassen sich nicht anders erklären, als dass dort etwas am Leben ist.

Leben, wie etwa hier am Campus, mit all den Lebewesen und den sauerstoffproduzierenden Bäumen und Sträuchern?

Man muss aufpassen, nicht in derart geozentrisches Denken zu verfallen und zu glauben, dass Dinge überall so sein müssen, weil sie auf der Erde so sind. Braucht man immer eine gelbe Sonne, einen Mond und am besten noch eine Rotation des Planeten, die ungefähr 24 Stunden pro Umdrehung braucht? Das mag vertraut klingen. Aber wir wissen, dass sich die Erde in ihrer Frühzeit um einiges schneller gedreht hat. Anfangs war ein Tag nur acht bis zwölf Stunden lang. Und trotzdem ist Leben entstanden.

Oder: Wenn Leben am Meeresboden entsteht, warum soll dann die Farbe der Sonne wichtig sein? Es stimmt schon, wir haben noch kein Leben auf einem Planeten gefunden, der sich um eine rote Sonne dreht. Aber es gibt keinen Grund, weshalb das nicht möglich sein sollte.

Könnten wir bei der Suche nach Leben im Universum nicht einfach in der Nachbarschaft anfangen, also in unserem eigenen Sonnensystem?

Die faszinierenden Welten in unserem Sonnensystem unterscheiden sich natürlich von den Welten, die wir rund um ferne Sterne suchen. Doch wir finden sogar hier, in – nach astronomischen Maßstäben – fast schon unmittelbarer Nähe zur Erde, durchaus spannende Kandidaten. Etwa die Eismonde von Jupiter und Saturn: Europa respektive Enceladus.

Wir wissen von Raumsonden, dass das Eis sowohl auf Enceladus wie auch auf Europa Risse aufweist, und das ist nur möglich, wenn sich darunter Flüssigkeit, also ein Ozean, befindet. Die große Frage ist, wie tief die Ozeane auf diesen Eismonden sind und ob das genügt, um Leben entstehen zu lassen, oder ob dazu eine feste Oberfläche nötig ist. Es lohnt sich also auf jeden Fall, weitere Sonden zu diesen Monden zu schicken und sie zu erforschen.

Und was ist mit dem Saturnmond Titan? Schon in den späten Fünfzigerjahren -platzierte der Autor Kurt Vonnegut dort immerhin die drei schönsten Frauen des Universums.

Dieser Mond ist aufgrund seiner Entfernung von der Sonne extrem kalt, aber er besitzt eine sehr dichte Atmosphäre aus Methan und Ethan, die enthält noch jede Menge organischer Verbindungen. Er ist neben der Erde der einzige Himmelskörper in unserem Sonnensystem, auf dem es nachweislich Seen und Ozeane gibt.

Die bestehen allerdings nicht aus Wasser, das würde dort gefrieren. Glücklicherweise schickt die NASA im Jahr 2026 eine Sonde namens „Dragonfly“ zum Titan, die dort nach der geplanten Landung 2034 einen Quadrokopter ausschwärmen lassen soll — ähnlich wie der Minihubschrauber „Ingenuity“, der zurzeit auf dem Mars unterwegs ist.

Am Mars rollt ja schon ein ganzer Fuhrpark von Robotern herum. Der jüngste, genannt „Perseverance“, bohrt gerade nach versteinerten Mikroorganismen.

Der Mars bietet sich natürlich für Expeditionen an, denn er ist unser nächster Nachbar. Und rein technisch betrachtet befindet sich der Mars in der sogenannten habitablen Zone, also in jenem Abstand zur Sonne, in der es nicht zu heiß und nicht zu kalt ist. Aber der Abstand allein sagt streng genommen nicht viel aus, die habitable Zone ist am Modell der Erde definiert, weil wir uns hier einfach am besten auskennen.

Wenn die Erde ihren Platz mit dem Mars tauschen würde, hätten wir zwar immer noch Erdbeben und Vulkane und genug Kohlendioxid, das uns infolge des Treibhauseffekts warm hielte, und es gäbe Wasser auf der Oberfläche – alles lebenswichtige Faktoren. Aber es wäre eine andere Erde als die, die wir kennen. Dazu kommt, dass nicht nur der Abstand von der Sonne wichtig für die Bewohnbarkeit eines Planeten ist, sondern auch seine Größe. Der Mars ist kleiner als die Erde. Und das macht einen großen Unterschied.

Nämlich?

Unser Planet besitzt einen flüssigen Kern und geologische Aktivität wie Vulkane und tektonische Platten, die sich bewegen. Der Mars ist kleiner und deshalb zu schnell abgekühlt, sodass es dort keine tektonischen und vulkanischen Aktivitäten mehr gibt. Das hat zur Folge, dass der Mars seine Atmosphäre nicht neu aufladen konnte und sie mit der Zeit sogar verloren hat. Wenn die Atmosphäre so dünn ist, wird es an der Oberfläche des Planeten rasch zu kalt.

Zu kalt für flüssiges Wasser, das ja eine Voraussetzung für irdisches Leben ist?

Wir gehen davon aus, dass es auf dem Mars einmal wärmer war und es dort flüssiges Wasser gab. Das lässt sich an den Flussbetten erkennen. Die große Frage ist, wie lange es dort Wasser gab. War es nur eine große Überschwemmung, oder schwappte dort ein paar hundert Millionen Jahre jede Menge Wasser in Flüssen und Meeren herum? Beides ist möglich.

„Perseverance“ könnte also über ausgetrocknete Mars-Algen rollen?

Wir können ziemlich sicher sein, dass es auf der Oberfläche des Mars kein Leben gibt, sonst hätten wir schon etwas gefunden. Aber eine Reihe von Experten hofft, dass es unterirdisches Leben oder zumindest Spuren ehemaligen Lebens gibt. Wir suchen auf dem Mars also nach Fossilien oder Bakterien, die sich in den Boden gefressen und so überlebt haben.

Lohnt das den Aufwand?

Diese Nachforschungen sind sehr nützlich, denn sie können uns etwas über einen weiteren Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem verraten, die Venus. Um sie ist eine hitzige Debatte entbrannt, ob sich in ihren Wolken irgendwelches Leben gehalten haben könnte. Denn die Venus sollte am Anfang ihrer Entstehungsgeschichte auch flüssiges Wasser besessen haben.

Aber sie ist zu nahe an der Sonne. Und wenn deren UV-Strahlung auf die Atmosphäre trifft, wird dieses Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Wasserstoff entweicht ins All, sodass auf diese Weise die Meere einfach verschwunden sind. Nach unseren Modellen ist es gut möglich, dass es auf der Venus früher ungefähr achtmal so viel Wasser gegeben hat wie auf der Erde, aber das ist aufgrund eines unkontrollierbaren Treibhauseffekts komplett abhanden gekommen. Die Venus ist also ein gutes – oder vielmehr abschreckendes – Beispiel, das zeigt, welche Folgen ein katastrophaler Klimawandel haben kann.

Enorme UV-Strahlung und verpuffte Ozeane – klingt nach einem eher lebensfeindlichen Umfeld.

Ja. Allerdings wissen wir nicht, ob sich in den kälteren Regionen ihrer dichten Wolken doch noch Leben erhalten hat. Das ist unwahrscheinlich, aber nicht unmöglich. Genau deswegen schicken die US-amerikanische und die Europäische Weltraumbehörde in den kommenden Jahren gleich drei Sonden zur Venus.

Sie nennen das Sonnensystem „unseren Hinterhof“. Helfen Missionen in dieser Region bei der Untersuchung von Himmelskörpern, die hunderte Lichtjahre von uns entfernt sind?

Die Planeten und Monde in unserem Sonnensystem haben den großen Vorteil, dass wir Erd- und Gesteinsproben sammeln und analysieren können. Daraus können wir Rückschlüsse darauf ziehen, wonach wir woanders suchen sollten. Mars und Venus helfen uns dabei, das Klima auf einem Gesteinsplaneten besser zu verstehen, etwa wie sich die Zusammensetzung der Atmosphäre verändert.

Diese Ergebnisse können wir verwenden, um bessere Werkzeuge für all jene fernen Planeten zu entwickeln, von denen wir nur das bei uns ankommende Licht auswerten können.

Wie funktioniert das?

Wenn wir die Zusammensetzung unserer Nachbarplaneten und die der Erde gut genug kennen, können wir „Licht-Fingerabdrücke“ entwickeln, die für jeden Himmelskörper einzigartig sind. Bisher haben wir das für die Planeten und Monde in unserem Sonnensystem getan. Diese Signaturen sind das Referenzsystem, um Exoplaneten aus der Ferne zu analysieren. Wir können das auch im Zeitverlauf tun, also einen Licht-Fingerabdruck für die ganz junge oder etwas ältere Erde berechnen – so wie das ein forensisches Labor für Fingerabdrücke tut.

Bislang ist jede dieser Signaturen einmalig, aber das wird wohl nicht so bleiben, denn wenn ein Planet komplett von Wolken bedeckt ist, kann man nur das am Lichtspektrum messen, ohne zu wissen, was sich darunter verbirgt. Was wir von nahegelegenen Eismonden lernen – etwa wenn wir dort Proben entnehmen –, wird uns auch dabei helfen, Monde in vielen, vielen Lichtjahren Entfernung zu analysieren. Jedes Indiz hilft uns dabei, das Licht aus weiter Ferne besser zu interpretieren.

Wie definiert man bei all diesen offenen Fragen „Leben“ auf einem fernen Planeten?

Wir suchen nach allem, was wir finden können. Sterne haben ja nicht alle das gleiche Alter, und die dazugehörigen Planeten sind nicht zur gleichen Zeit entstanden wie ihr Stern. Zumindest gibt uns die Erde einen guten Vergleichskatalog im Zeitverlauf von Milliarden Jahren.

Eine weitere Frage ist, ob die Entwicklung auf einem anderen Planeten schneller oder langsamer abläuft. Wir wissen nicht genau, wie schnell man von Einzellern zu Mehrzellern gelangt. Wir können natürlich in einem Labor kein neues Leben erzeugen, sonst hätten wir bessere Antworten auf all diese Fragen. Braucht man 30 Minuten oder 300 Jahre – so viel Zeit haben wir leider nicht für Experimente. Immerhin gibt es viele Wissenschaftler, die daran arbeiten.

Wir hegen die Hoffnung, dass uns viele Planeten viele mögliche Entwicklungen zeigen und fundamentale Fragen nach der Entstehung des Lebens beantworten. Leben kann in einer ganz kleinen Nische entstanden sein – in einem Tümpel, irgendwo unter der Erde oder bei einer heißen Tiefseequelle am Boden des Ozeans – und sich dann von da aus ausgebreitet haben. Es ist aber auch denkbar, dass Leben überall zur gleichen Zeit entstanden ist.

Wenn Leben unter so vielfältigen Voraussetzungen entstehen kann, ist es doch gut möglich, dass sich unter anderen Bedingungen auch auf der Erde andere Lebensformen hätten durchsetzen können.

Klar, etwa wenn das Klima bedeutend kälter gewesen wäre. Dann hätten sich dem Eis angepasste Organismen weiterentwickelt. Man denke nur an die Algen in den verschiedensten Farben, die man in Regionen wie den Alpen sieht. Wir neigen immer zu der Annahme, dass sich das Leben im Wasser entwickelte und dann an Land ging. Was aber, wenn das gar nicht geschieht? Wie hätten sich Lebewesen wie Wale und Fische ohne feste Landmassen oder Kontinente weiterentwickelt?

Das Leben – nichts als ein Spielball kosmischer Zufälle?

Man könnte argumentieren, dass die Dinosaurier die dominante Spezies waren, bevor sie ausgelöscht wurden. Was aber wäre passiert, wenn hier auf der Erde kein Meteorit eingeschlagen wäre – würden dann die Dinosaurier heute Teleskope bauen? Und wenn heute wieder so ein Einschlag passierte? Das würde Platz schaffen für irgendeine andere Spezies, sich weiterzuentwickeln.

Es kann gut sein, dass wir irgendwann Signaturen von einem Planeten finden, wo dieser Zyklus schon so weit fortgeschritten ist, dass die dominante Spezies ausgelöscht wurde und das Leben wieder zu einem relativ einfachen Stadium zurückgekehrt ist. Das würde belegen, wie robust Leben ist.

Konkret gefragt: Wie kann man sich die Bandbreite von Lebensformen auf fernen Planeten vorstellen?

Es kann eine Wasserwelt sein, wo es die Lebewesen nie an Land geschafft haben, weil es nicht nötig war oder es gar kein Land gibt. Ein Planet, der komplett mit einem Dschungel bewachsen ist, wäre grün. Ein anderer könnte von roten Algenteppichen gefärbt sein. Auch Zoologen machen sich dazu Gedanken, indem sie die Entwicklungsgeschichte der Erde zurückdrehen.

Niemand kann mit Gewissheit sagen, dass die Evolution immer zu denselben Lebewesen führt, die wir heute kennen. Das Leben ist kein Stammbaum, sondern eher ein Netzwerk, bei dem alles miteinander verbunden ist. Wenn die Evolution schon bei der Erde keine zwangsläufige Entwicklung war, dann ist es natürlich sehr schwierig, sich vorzustellen, wie sich Leben auf anderen Planeten entwickelt.

Versuchen Sie es bitte trotzdem.

Nehmen wir einmal an, ein Planet ist massiver und besitzt eine größere Schwerkraft, dann hätte eine Giraffe plötzlich keinen langen, dünnen Hals mehr, und es gäbe wahrscheinlich eher stämmige, dem Boden verhaftete Lebewesen. Umgekehrt ist es bei geringerer Schwerkraft leichter, in die Höhe zu wachsen.

Wenn man sich Fotos aus den Tiefen der Ozeane anschaut, kann man erahnen, wie viele mögliche Lebensformen es im Universum geben kann. Warum sollte ein Alien nicht wie ein Anglerfisch aussehen oder riesige Augen haben, die einen Großteil des Kopfes ausmachen wie bei Tiefseewesen? Das ist alles nur eine Frage der Anpassung an die jeweils vorherrschenden Umweltbedingungen.

Woran könnten wir technisch fortgeschrittene Zivilisationen erkennen?

An technischen Gasen in der Atmosphäre vielleicht, die bei industriellen Prozessen entstehen, oder an Radiosignalen. Aber das muss man in der historischen Dimension sehen. Wenn man die Erdgeschichte auf ein Zifferblatt schreiben würde, dann hat das Leben um zirka drei Uhr morgens begonnen. Die Menschheit ist ein paar Sekunden vor Mitternacht aufgetaucht, von Radiowellen ganz zu schweigen. Die gibt es erst seit hundert Jahren. Und wir senden heute schon wieder viel weniger davon aus, weil sich die Technologie geändert hat.

Es kommt also auf die Fragestellung an: Suchen wir nach Leben generell, nach Leben, wie wir es von der Erde kennen, oder nach Leben, das wie wir kommuniziert?

Diese Geschichte erschien erstmals im Terra Mater Magazin 4/2021.