Im Jahr 1960 wurde am Green Bank Observatory in West Virginia die erste Umfrage zur Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI) durchgeführt. Dies war das Projekt Ozma, das von dem berühmten Astronomen und SETI-Pionier Frank Drake (für den die Drake-Gleichung benannt). Seitdem haben sich die kollektiven Bemühungen, Beweise für Leben außerhalb der Erde zu finden, zu einem neuen Studiengebiet zusammengeführt, das als bekannt ist Astrobiologie .
Die Suche nach außerirdischem Leben hat dank der Tausenden von Exoplaneten, die in den letzten Jahren entdeckt wurden, neues Interesse geweckt. Leider werden unsere Bemühungen immer noch stark durch unseren begrenzten Bezugsrahmen eingeschränkt. Ein neues Tool, das von einem Forscherteam der Universität Glasgow und Universität von Arizona (ASU) könnte den Weg zum Leben in all seinen Formen weisen!
Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturkommunikation ,wurde von Prof. Leroy Cronin und seinem Team vom Fakultät für Chemie an der Universität Glasgow, Großbritannien. Zu ihnen gesellten sich Mitglieder der Beyond Center for Concepts in Fundamental Science an der Arizona State University (ASU) und der Analytisches Labor für Astrobiologie im Goddard Space Flight Center der NASA.
Chemischer Raum, visualisiert. Bildnachweis: Naomi Johnson, Lee Cronin/ASU
Im Zentrum dieses neuen Werkzeugs steht ein Konzept namens Assembly Theory, das von Prof. Leroy Cronin – einem Regius-Professor für Chemie – und seinen Kollegen an der Glasgow School of Chemistry mit Unterstützung von Wissenschaftlern der ASU entwickelt wurde. Diese Theorie beschreibt, wie lebende Systeme von unbelebten unterschieden werden können, indem komplexe Moleküle identifiziert werden, die im Überfluss produziert werden (und sich nicht zufällig bilden können).
Auf Moleküle angewendet, identifiziert die Assemblierungstheorie Moleküle als Biosignaturen basierend auf dem, was das Leben tut, nicht auf dem, was es ist. Wie Cronin in einer ASU erklärte Pressemitteilung :
„Unser System ist die erste falsifizierbare Hypothese zur Erkennung von Leben und basiert auf der Idee, dass nur lebende Systeme komplexe Moleküle produzieren können, die sich nicht in beliebiger Menge zufällig bilden könnten, und das ermöglicht es uns, das Problem der Definition von Leben zu umgehen.“
Der nächste Schritt bestand darin, einen Weg zu finden, diese Komplexität zu quantifizieren, was das Team tat, indem es einen Algorithmus entwickelte, der einem bestimmten Molekül eine Punktzahl zuweist. Dies ist die sogenannte 'Molecular Assembly' (MA)-Zahl, die auf der Anzahl der Bindungen basiert, die zum Aufbau des Moleküls erforderlich sind. Natürlich hätten große biogene Moleküle einen höheren MA als kleinere oder Moleküle, die nicht biogen (groß oder klein) sind.
Um ihre Methode zu testen, verwendete das Team ihren Algorithmus, um einer Datenbank mit etwa 2,5 Millionen Molekülen MA-Nummern zuzuweisen. Sie verwendeten dann eine Probe von etwa 100 kleinen Molekülen und kleinen Proteinfragmenten (Peptiden), um die erwartete Korrelation zwischen der MA-Zahl und der Zahl der Peptide zu überprüfen, die ein Molekül erzeugen würde, wenn es einem Massenspektrometer ausgesetzt wurde – das Proben in Stücke zerlegt und analysiert die Anzahl der einzigartigen Teile.
Diese künstlerische Darstellung zeigt die Ansicht des Planeten im TOI-178-System, das sich am weitesten vom Stern entfernt befindet. Bildnachweis: ESO/L. Calçada/spaceengine.org
In Zusammenarbeit mit der NASA untersuchte das Team außerdem Proben aus der ganzen Welt und einige außerirdische Proben. Dazu gehörte ein Fragment des Murchison-Meteoriten, ein kohlenstoffhaltiger Chondrit-Meteorit, der reich an organischen Molekülen ist und 1969 in Australien landete (obwohl die Probe selbst nicht biologischen Ursprungs war). Sie untersuchten auch Proben von fossilen Seesedimenten aus dem Holozän (vor 30.000 Jahren) und dem mittleren Miozän (vor 14 Millionen Jahren).
Daraus konnte das Team zeigen, dass Leben der einzige Prozess ist, der Moleküle mit hohen MA-Zahlen herstellen kann. Sie fanden außerdem heraus, dass es einen MA-Schwellenwert gibt, der, sobald er überschritten ist, anzeigt, dass Leben notwendig ist, um das fragliche Molekül zu produzieren. Besagter Co-Autor Sara Imari Walker der School of Earth and Space Exploration an der ASU:
„Die Methode ermöglicht es, Leben ohne Vorkenntnisse in seiner Biochemie zu identifizieren. Es kann daher verwendet werden, um bei zukünftigen NASA-Missionen nach außerirdischem Leben zu suchen, und es liefert einen völlig neuen experimentellen und theoretischen Ansatz, um endlich die Natur des Lebens im Universum zu enthüllen und wie es aus leblosen Chemikalien entstehen kann.“
„Lebende und nicht-lebende Systeme unterscheiden sich darin, inwieweit sie zuverlässig und in nachweisbarer Häufigkeit hochkomplexe molekulare Strukturen aufbauen können“, fügte hinzu Doug Moore , wissenschaftlicher Mitarbeiter als Postdoc an der Beyond Center an der ASU und Mitautor der Studie. „Wir wollten zeigen, dass dies der Fall ist und schlagen eine Biosignatur vor, die sowohl biochemisch agnostisch als auch praktisch nützlich ist.“
Künstlerische Darstellung von Dragonfly auf Titans Oberfläche. Credits: NASA/Johns Hopkins APL
Dieser Algorithmus ist eines der ersten experimentell verifizierbaren Werkzeuge zur Komplexitätsmessung, was den Algorithmus besonders nützlich bei der Suche nach außerirdischem Leben macht. Einfach ausgedrückt, könnte es in einem Labor mit Instrumenten getestet und validiert werden, die für zukünftige Missionen bestimmt sind. Durch die Entwicklung eines Ansatzes, der keine falsch positiven Ergebnisse liefern kann, haben Astrobiologen eine echte Chance, die tiefgreifendste Entdeckung in der Geschichte unserer Spezies zu machen.
Neben der astrobiologischen Forschung könnte dieses Werkzeug auch helfen, zu untersuchen, wie das Leben hier auf der Erde begann. Der theoretische Rahmen für dieses Werkzeug ist eine der ersten Techniken, die quantifizieren kann, wie chemische Systeme Informationen verarbeiten (ein grundlegender Aspekt des Lebens). Besagter Co-Autor Cole Mathis , ein ASU-Alumnus, der derzeit Postdoktorand an der University of Glasgow ist:
„Wir glauben, dass dies einen völlig neuen Ansatz ermöglichen wird, den Ursprung lebender Systeme auf der Erde und in anderen Welten zu verstehen und hoffentlich de novo lebende Systeme in Laborexperimenten zu identifizieren. Wenn wir aus einer wirklich praktischen Perspektive verstehen, wie lebende Systeme in der Lage sind, sich selbst zu organisieren und komplexe Moleküle zu produzieren, können wir diese Erkenntnisse nutzen, um neue Medikamente und neue Materialien zu entwickeln und herzustellen.“
In den kommenden Jahren sind eine Reihe von Missionen für das äußere Sonnensystem bestimmt, um nach Leben im Inneren zu suchen.“ Ozeanwelten .“ Mit Spektrometern, die mit dem MA-Zahlenalgorithmus ausgestattet sind, könnten Missionen für Europa und Enceladus und Titan die Atmosphäre, Oberflächen, Plume-Aktivität und Methanseen auf Anzeichen von Molekülen untersuchen, die nur in Gegenwart von Leben vorkommen.
Eine Illustration der Oberfläche des Exoplaneten Barnards Star b. Bildquelle: M. Kornmesser, ESA.
Nachtrag:In einem früheren Entwurf schrieben wir, dass der von Prof. Leroy Cronin (et al.) entwickelte Algorithmus das erste falsifizierbare Mittel war, um Leben außerhalb der Erde zu entdecken. Inzwischen haben wir jedoch erfahren, dass im Jahr 2013, Dr. Armando Azua-Bustos * und Dr. Cristian Vega-Martínez ** veröffentlichte ein Papier, das in ähnlicher Weise eine neue Methode zur Suche nach Leben basierend auf Attributen vorschlug, die allen Lebensformen gemeinsam sein müssen.
In diesem Fall empfahlen Dr. Azua-Bustos und Vega-Martinez, die fraktale Mathematikanalyse zu verwenden, um den Entropieunterschied in einer planetarischen Umgebung zu quantifizieren, wodurch Wissenschaftler zwischen Lebensformen und ihrer ähnlichen abiotischen Umgebung unterscheiden können.
Ihr Papier mit dem Titel „ Das Potenzial zur Erkennung von „Leben, wie wir es nicht kennen“ durch fraktale Komplexitätsanalyse “ erschien im International Journal of Astrobiology, Vol. 12, (12. Juni 2013).
*Abteilung für Planetologie und Bewohnbarkeit, Zentrum für Astrobiologie (CSIC-INTA), Madrid, Spanien
** Nationaler wissenschaftlicher und technischer Forschungsrat (CONICET), Buenos Aires, Argentinien
