Am Dienstag, dem 16. Dezember 2014, gaben NASA-Wissenschaftler auf der Herbsttagung der American Geophysical Union in San Francisco den Nachweis organischer Verbindungen auf dem Mars bekannt. Die Ankündigung stellt die Entdeckung der fehlenden „Zutat“ dar, die für die Existenz – Vergangenheit oder Gegenwart – des Lebens auf dem Mars notwendig ist.
Tatsächlich erforderte die außergewöhnliche Behauptung außergewöhnliche Beweise – die berühmte Behauptung von Dr. Carl Sagan. Die Wissenschaftler, Mitglieder der Mission Mars Science Lab – Curiosity Rover – arbeiteten über einen Zeitraum von 20 Monaten, um Proben aus der Atmosphäre und der Oberfläche des Mars zu nehmen und zu analysieren, um zu ihren Schlussfolgerungen zu gelangen. Die Ankündigung stammt von zwei getrennten Entdeckungen organischer Stoffe: 1) zehnfacher Anstieg des atmosphärischen Methangehalts und 2) Bohrproben aus einem Gestein namens Cumberland, das komplexe organische Verbindungen enthielt.
Das durchstimmbare Laserspektrometer, eines der Werkzeuge des Labors Sample Analysis at Mars (SAM) auf dem Mars-Rover Curiosity der NASA. Durch die Messung der Lichtabsorption bei bestimmten Wellenlängen misst es die Konzentrationen von Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf in der Marsatmosphäre. (Bildquelle: NASA/JPL-Caltech)
Methan, eine der einfachsten organischen Verbindungen, wurde mit dem Sample Analysis at Mars Instrument (SAM) nachgewiesen. Dies ist eines von zwei kompakten Laborinstrumenten, die in den kompakten Rover Curiosity in der Größe eines Autos integriert sind. Schon bald nach der Landung auf dem Mars begannen die Wissenschaftler, mit SAM periodisch den chemischen Gehalt der Marsatmosphäre zu messen. Bei vielen Proben war der Methangehalt sehr niedrig, ~0,9 Teile pro Milliarde. Das änderte sich jedoch schlagartig und wie Wissenschaftler in der Pressekonferenz feststellten, war es ein „Wow“-Moment, der sie verblüffte. Es wurden kurze tägliche Spitzen der Methanwerte von durchschnittlich 7 Teilen pro Milliarde festgestellt.
Der Nachweis von Methan auf dem Mars wird seit Jahrzehnten behauptet, aber in jüngerer Zeit, in den Jahren 2003 und 2004, entdeckten unabhängige Forschungsteams mit empfindlichen Spektrometern auf der Erde Methan in der Atmosphäre des Mars. Eine Gruppe unter der Leitung von Vladimir Krasnopolsky von der Katholischen Universität und eine andere unter der Leitung von Dr. Michael Mumma vom Goddard Space Flight Center der NASA entdeckten breite regionale und zeitliche Methankonzentrationen von bis zu 30 Teilen pro Milliarde. Diese Ankündigungen stießen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf erhebliche Skepsis. Und die ersten atmosphärischen Messungen von Curiosity waren negativ. Keine der Gruppen gab jedoch von ihren Ansprüchen zurück.
Regionen, in denen Methan besonders lokalisiert im Northern Summer (A, B1, B2) vorkommt, und ihre Beziehung zu mineralogischen und geomorphologischen Domänen. (A.) Beobachtungen von Methan in der Nähe des Vulkangebiets Syrtis Major. (B.) Geologische Karte von Greeley und Guest (41) überlagert auf dem topografisch schattierten Relief von MOLA (42). Das älteste Terrain (Npld, Nple) ist noachianisch (~3,6 – 4,5 Milliarden Jahre alt, als der Mars nass war) und wird von vulkanischen Ablagerungen von Syrtis Major des Hesperian (Hs)-Zeitalters (~3,1 – 3,6 Milliarden Jahre) überlagert alt). (Quelle: Mumma et al., 2009, Abbildung 3)
Die plötzliche Entdeckung von zehnfachen Spitzen der Methankonzentration im Gale-Krater steht nicht im Widerspruch zu den früheren Fernmessungen von der Erde aus. Die hohen saisonalen Konzentrationen traten in Regionen auf, die den Gale-Krater nicht umfassen, und es bleibt möglich, dass die Curiosity-Messungen ähnlicher Natur sind, jedoch auf einen weniger aktiven Prozess zurückzuführen sind als in den von Dr. Mummas Team identifizierten Regionen.
Diese Grafik zeigt den zehnfachen Anstieg des Methanvorkommens in der Marsatmosphäre rund um den Mars-Rover Curiosity der NASA, wie durch eine Reihe von Messungen festgestellt, die mit dem Tunable Laser Spectrometer-Instrument in der Sample Analysis at Mars-Laborsuite des Rovers durchgeführt wurden. (Bildquelle: NASA/JPL-Caltech)
Die NASA-Wissenschaftler der AGU um MSL-Projektwissenschaftler Dr. John Grotzinger betonten, dass sie noch nicht wissen, wie das Methan entsteht. Der Prozess kann biologisch sein oder nicht. Es gibt abiotische chemische Prozesse, die Methan produzieren könnten. Die MSL-SAM-Erkennungen waren jedoch tägliche Spitzen und stellen einen aktiven, echten, fortlaufenden Prozess auf dem roten Planeten dar. Dies allein ist ein sehr spannender Aspekt der Erkennung.
Das Team präsentierte Folien, um zu beschreiben, wie Methan erzeugt werden könnte. Bei den bekannten niedrigen Hintergrundwerten von Methan von ~ 1 Part per Billion könnte eine externe kosmische Quelle, beispielsweise Mikrometeoroiden, die in die Atmosphäre gelangen und organische Stoffe freisetzen, die dann durch Sonnenlicht zu Methan reduziert werden, ausgeschlossen werden. Die Methanquelle muss lokalen Ursprungs sein.
Dieses Bild veranschaulicht mögliche Wege, wie Methan der Marsatmosphäre hinzugefügt (Quellen) und aus der Atmosphäre entfernt (Senken) werden könnte. Der Mars-Rover Curiosity der NASA hat Schwankungen der Methankonzentration in der Atmosphäre festgestellt, was darauf hindeutet, dass beide Arten von Aktivitäten auf dem modernen Mars auftreten. Eine längere Bildunterschrift diskutiert, was Quellen und welche Senken sind. (Bildquelle: NASA/JPL-Caltech/SAM-GSFC/Univ. of Michigan)
Die Wissenschaftler illustrierten zwei Produktionsmittel. In beiden Fällen gibt es eine tägliche – oder zumindest periodische – Aktivität, die Methan aus dem Untergrund des Mars freisetzt. Die Quelle könnte biologisch sein, die sich in unterirdischen Gesteinen ansammelt und dann plötzlich freigesetzt wird. Oder eine abiotische Chemie, wie eine Reaktion zwischen dem Mineral Olivin und Wasser, könnte der Generator sein.
Der vorgeschlagene und dargestellte unterirdische Speichermechanismus von Methan wird als Clathratspeicherung bezeichnet. Bei der Clathratspeicherung handelt es sich um Gitterverbindungen, die Moleküle wie Methan einfangen können, die anschließend durch physikalische Veränderungen im Clathrat, wie Solarerwärmung oder mechanische Belastungen, freigesetzt werden können. In Fragen und Antworten der Presse erklärten die NASA-Wissenschaftler, dass solche Clathrate für Millionen und Abermilliarden von Jahren unter der Erde aufbewahrt werden könnten.
Die zweite Entdeckung organischer Stoffe umfasste komplexere Verbindungen in Oberflächenmaterialien. Seit der Ankunft auf dem Mars hat Curiosity ein Bohrwerkzeug verwendet, um das Innere von Gesteinen zu untersuchen. Grotzinger betonte, wie Materialien unmittelbar an der Marsoberfläche die Auswirkungen der Strahlung und der allgegenwärtigen Bodenverbindung Perchlorat erfahren haben, die organische Stoffe jetzt und über Jahrmillionen reduziert und zerstört. Der Nachweis von organischen Stoffen in lockerem und freiliegendem Oberflächenmaterial hatte die Hoffnungen der NASA-Wissenschaftler, organische Stoffe in den Gesteinen des Mars zu entdecken, nicht geschmälert.
Vergleiche zwischen der Menge einer organischen Chemikalie namens Chlorbenzol, die in der Gesteinsprobe „Cumberland“ nachgewiesen wurde, und deren Mengen in Proben von drei anderen Marsoberflächenzielen, die vom Mars-Rover Curiosity der NASA analysiert wurden. (Bildquelle: NASA/JPL-Caltech)
Es wurden Bohrungen an mehreren ausgewählten Gesteinen durchgeführt und es war schließlich ein Schlammgestein namens Cumberland, das das Vorhandensein organischer Verbindungen offenbarte, die komplexer sind als einfaches Methan. Die Wissenschaftler betonten, dass diese organischen Verbindungen aufgrund des verwirrenden Vorhandenseins der aktiven Chemikalie Perchlorat, die organische Stoffe schnell in einfachere Formen zerlegen kann, ein Rätsel bleiben.
Beispiele aus dem Probenanalyse-Labor des Mars (SAM) zum Nachweis organischer Stoffe des Mars in einer Pulverprobe, die der Bohrer auf dem Mars-Rover Curiosity der NASA von einem Gesteinsziel namens 'Cumberland' gesammelt hat.
(Bildquelle: NASA/JPL-Caltech)
Der Nachweis organischer Stoffe im Schlammgestein Cumberland erforderte das Bohrwerkzeug und auch die Schaufel des vielseitigen Roboterarms, um die Probe zur Analyse in das SAM-Labor zu bringen. Um Methan zu erkennen, verfügt SAM über ein Einlassventil zur Aufnahme von atmosphärischen Proben.
Dr. Grotzinger beschrieb, wie Cumberland als Probenquelle ausgewählt wurde. Das Gestein wird Schlammstein genannt, der einen Prozess namens Digenesis durchlaufen hat – die Metamorphose von Sediment zu Gestein. Grotzinger betonte, dass sich während der Digenese Flüssigkeiten durch solche Gesteine bewegen und Perchlorat dabei organische Stoffe zerstören kann. Dies könnte für viele metamorphe Gesteine auf der Marsoberfläche der Fall sein. Das Wissenschaftlergremium zeigte einen Vergleich zwischen Gesteinsproben, die mit SAM gemessen wurden. Insbesondere zwei – vom Felsen „John Klein“ und dem Cumberland-Felsen – wurden verglichen. Ersteres zeigte keine organischen Stoffe sowie andere Gesteine, die beprobt wurden; aber die Bohrprobe von Cumberland aus dem Inneren ergab organische Stoffe.
Veranschaulichung einiger der Gründe, warum es schwierig ist, organische Chemikalien auf dem Mars zu finden. Welche organischen Chemikalien auch immer auf dem Mars produziert oder an den Mars geliefert werden, können auf verschiedene Weise umgewandelt oder zerstört werden. (Bildquelle: NASA/JPL-Caltech)
Die Analyse der Arbeit war akribisch – in Anlehnung an die Aussage von Sagan. Die Bedeutung der Entdeckung organischer Stoffe auf dem Mars konnte vom Wissenschaftlergremium nicht unterschätzt werden, und Grotzinger nannte diese beiden Entdeckungen das bleibende Erbe des Mars Curiosity Rover. Darüber hinaus sagte er, dass die Entdeckungs- und Analysemethoden die Wahl der Instrumente und deren Verwendung während der Rover-Mission Mars 2020 maßgeblich beeinflussen werden.
Die Entdeckung organischer Stoffe vervollständigt die notwendigen „Zutaten“ für vergangenes oder gegenwärtiges Leben auf dem Mars: 1) eine Energiequelle, 2) Wasser und 3) organische Stoffe. Dies sind die Grundvoraussetzungen für die Existenz des Lebens, wie wir es kennen. Die Suche nach Leben auf dem Mars steht noch am Anfang und die neuen Entdeckungen der organischen Stoffe sind immer noch kein klares Zeichen dafür, dass Leben existierte oder heute präsent ist. Dennoch betonten Dr. Jim Green, der das Wissenschaftlergremium vorstellte, und Dr. Grotzinger beide das Ausmaß dieser Entdeckungen und wie sie mit den Zielen des Mars-Programms der NASA verbunden sind – insbesondere jetzt mit dem Schwerpunkt, Menschen zum Mars zu schicken. Für den Mars Curiosity Rover geht die Reise die Hänge des Mount Sharp hinauf und jetzt mit größerem Ernst und einer fortgesetzten Suche nach Cumberland ähnlichen Gesteinen.
Verweise:
Curiosity entdeckt Methanspitze auf dem Mars
NASA Rover findet aktive, antike organische Chemie auf dem Mars
Forschungspapiere, AGU-Pressekonferenz über Ustream
Starke Methanfreisetzung auf dem Mars im Nordsommer 2003
Nicht-Nachweis von Methan in der Marsatmosphäre durch den Curiosity Rover
Nachweis von Methan in der Marsatmosphäre: Beweise für Leben?