Ein Team von Wissenschaftlern der Penn State arbeitet daran, eines der größten ungelösten Rätsel der Welt zu lösen: Wie das Leben auf der Erde entstand – und wie es sich auf anderen Planeten entwickelt haben könnte.
Jennifer Macalady, Professorin für Geowissenschaften an der Penn State, ist Mikrobiologin und untersucht biologische Wechselwirkungen zwischen den begrenzten Ressourcen, die auf der frühen Erde verfügbar waren: Wasser, atmosphärische Gase und Gesteine. Ihre Forschung führt sie an einige der lebensfeindlichsten Orte der Erde, auf der Suche nach mikrobiellen Biofilmen, die dort überleben können.
Ihre letzte Expedition führte zu drei Seen im italienischen Frasassi-Höhlensystem, begleitet von Dani Buchheister, einer Doktorandin der Geowissenschaften und Astrobiologie an der Penn State. Das Projekt wird in der vorgestellt Oktoberausgabe von National Geographic. Macalady und Buchheister sprachen mit Penn State News, um mehr über den Arbeitsumfang zu erläutern.
F: Bevor wir auf die Einzelheiten der im Magazin vorgestellten Expedition eingehen, die Sie im Februar geleitet haben, was können Sie mir über Ihre Forschung im weiteren Sinne sagen?
Buchheister: Wir interessieren uns für die Art von Leben, die in einzigartigen oder sogar feindseligen Umgebungen überlebt. Wir wollen verstehen, was uns das über die Grenzen des Lebens im Allgemeinen und insbesondere darüber sagen kann, wie Leben auf anderen Planeten existieren könnte.
Macalady: Ich stimme dem zu und füge hinzu, dass wir uns besonders für Mikroben interessieren, denen wir noch nie begegnet sind. Die Motivation dafür ist, dass wir die Vielfalt der Mikroben auf diesem Planeten verstehen wollen. Die uns bekannte Vielfalt ist begrenzt und wird davon beeinflusst, wo wir gesucht haben. Der Untergrund unseres Planeten ist der am wenigsten erforschte Lebensraum auf der Erde und daher ein natürlicher Ort für die Suche nach Leben, das wir noch nie zuvor gesehen haben.
F: Und was genau möchten Sie verstehen?
Buchheister: Der motivierendste Teil der Forschung ist für mich, herauszufinden, was Mikroben tun, um in diesen extremen Umgebungen zu überleben. Nehmen Sie zum Beispiel diesen Standort in Italien. Es handelt sich um einen Höhlensee, dessen Wasser sich kaum bewegt. Das Wasser ist geschichtet, sodass sich Schicht für Schicht Grundwasser befindet, in der Biofilme ohne nachweisbare Mengen an Sauerstoff wachsen. Den Biofilmen fehlen viele der an der Oberfläche üblichen Inhaltsstoffe für das Wachstum von Mikroben, aber allen Berichten zufolge sind sie lebendig.
Macalady: Die tief unter der Erde lebenden Mikroben müssen andere Strategien anwenden als das, was wir an der Oberfläche sehen. Sie leben unter Bedingungen, die eher denen ähneln, von denen wir glauben, dass sie auf der frühen Erde vor dem großen Oxidationsereignis waren, bevor die Erdatmosphäre und die Erdoberfläche einem hohen Sauerstoffgehalt ausgesetzt waren, wie es heute der Fall ist. Indem wir Mikroben tief unter der Erde untersuchen, können wir lernen, wie sie Energie aus einer Umgebung gewinnen, in der es weder Sonnenlicht noch Sauerstoff gibt, die die wichtigsten Ressourcen sind, die das Leben an der Oberfläche antreiben.
F: Wie können Sie damit verstehen, wie sich das Leben hier oder möglicherweise auf anderen Planeten entwickelt hat?
Macalady: Wir sprechen über Leben, das nur mit Steinen und Wasser auskommt, und über die Wechselwirkungen zwischen beiden. Die frühe Erde war so ein fremder Ort. Es war wirklich nicht derselbe Planet, auf dem wir heute leben, daher gibt es keinen großen Sprung zwischen der Untersuchung von Umgebungen, die die sehr frühe Erde darstellen könnten, und dem Nachdenken über Umgebungen auf anderen Planeten.
Buchheister: Diese Umgebung, die wir in Italien im Untergrund der Erde erforschen, verfügt über eine besondere Art von Chemie, die dabei hilft, Biofilme zu erzeugen, die in der Lage sind, Energie aus fast nichts zu gewinnen. Sie haben einen Stoffwechsel, daher besteht meine große Motivation darin, mehr darüber zu erfahren, wie dieser Stoffwechsel funktioniert und was er uns über das Leben auf der frühen Erde und die Möglichkeit von Leben auf anderen Planeten sagen kann.
Macalady: Etwas, das aus einem geologischen System gedeihen kann, das nur aus Steinen und Wasser besteht, ist etwas ganz Besonderes. Der spezifische Stoffwechsel, an dem Dani interessiert ist, ist im Wesentlichen eine fehlende Lebensweise, die entweder ausgestorben ist oder von Mikroben betrieben wird, die wir nie getroffen haben. Es gibt mittlerweile so viele bessere Auftritte fürs Leben. Es gibt so viele andere, attraktivere Möglichkeiten, seinen Lebensunterhalt zu verdienen. Als das Leben begann oder kurz vor dem Ursprung des Lebens stand, gab es weitaus weniger Möglichkeiten. Die Reaktion, die Dani erforscht, ist auch insofern etwas Besonderes, als sich Wissenschaftler vorgestellt haben, dass es sich dabei um den allerersten Stoffwechsel auf der Erde handelt.
F: Für jemanden, der an der Spitze einer solchen Erkundung steht, muss es so aufregend sein. Wie fühlt sich das an?
Buchheister: Es ist spannend, weil es so viele Unbekannte über diesen Biofilm gibt. Was ist darin? Was machen diese Mikroben? Warum gibt es sie und wie wachsen sie? Es gibt so viel, was wir nicht wissen, und das ist ein erstaunlicher Bereich, in dem man als Wissenschaftler agieren kann.
Macalady: Es macht es auch zu einer besonderen Herausforderung, weil die Methoden zur Untersuchung von Mikroben nicht für neuartige Lebensformen konzipiert sind, die wir noch nie zuvor gesehen haben. Ein häufig untersuchtes Bakterium wie E. coli könnte sich in einer Stunde teilen und wäre relativ leicht zu beproben und zu analysieren, aber die Arten von Organismen, nach denen wir suchen, sind sehr, sehr schwierig zu erkennen, geschweige denn, sie wachsen in einem Labor. Beharrlichkeit ist gefragt.
F: Es gibt auch viele logistische Herausforderungen, die mit der Probenbeschaffung verbunden sind, richtig?
Macalady: Unsere Fähigkeit, tief unter der Erde Proben zu entnehmen, hängt stark von der Zusammenarbeit sowohl mit erfahrenen technischen Tauchern als auch mit lokalen italienischen Höhlenforschern ab, die uns dabei helfen, sicher dorthin zu gelangen, wo wir hin müssen. Die Zusammenarbeit ist wirklich grundlegend und unsere Arbeit wäre ohne die Unterstützung eines ganzen Teams von Menschen auf jeder Expedition unmöglich. Die örtlichen Höhlenforscher sind im Wesentlichen Bürgerwissenschaftler, die diese Gebiete seit 20 Jahren zur Unterstützung unserer Forschung erforschen, und ihr gesammeltes Wissen und ihre Fähigkeiten sind für unsere Forschung von unschätzbarem Wert.
F: Was gehört zum Aufbau dieser Beziehungen, denn ich stelle mir vor, dass Vertrauen unter diesen Bedingungen im wahrsten Sinne des Wortes lebenswichtig ist?
Macalady: Das ist absolut wahr. Wir legen großen Wert darauf, mit welchen Höhlenforschern und Tauchern wir zusammenarbeiten, und sind uns über die Parameter dieser Beziehung in Bezug auf Sicherheit und angemessenes Ausbildungsniveau sehr im Klaren. Ich arbeite lieber mit Tauchern und Guides zusammen, die nicht übermäßig aufgeregt oder enthusiastisch, sondern eher zurückhaltend und kalkuliert sind.
Ich bevorzuge einen Taucher, der sagt: „Das ist zu kompliziert“ oder „Das wird mehrere Tauchgänge und mehr Zeit erfordern, als Ihnen lieb ist.“ Es ist immer nervenaufreibend, wenn die Taucher im Wasser sind, aber wenn man ein sehr maßvolles Team hat, mit dem man planen kann, ist es etwas weniger stressig.
Buchheister: Ich sollte hinzufügen, dass die Taucher meiner bisherigen Erfahrung nach wirklich begeistert von der Arbeit sind, sobald sie wieder an Land eine Probe erhalten. Vor diesem Moment ist es eine intensive Konzentration auf unsere jeweiligen Aufgaben, aber danach herrscht diese erstaunliche, feierliche Stimmung, wenn alles so erledigt ist, wie wir es uns vorgenommen haben. Es war großartig, das zu erleben.
F: Was sind die nächsten Schritte für das Team?
Macalady: Wir planen eine Reise zurück zum selben Ort in Italien, um die Chemie der Seen gründlicher zu katalogisieren, und lassen einige Datenlogger zurück, die die Chemie im Wasser im Laufe der Zeit verfolgen, während wir nicht dort sind. Wir experimentieren auch mit einem ferngesteuerten Tauchfahrzeug, das eines Tages menschliche Taucher in der Forschung entlasten könnte.
Buchheister: Da wir nur begrenzt dorthin gehen können, erhalten wir nur einen kurzen Schnappschuss des Systems. Wir hoffen, dass wir durch den Verzicht auf Datenlogger im Laufe einiger Saisons sehen können, ob es wesentliche Veränderungen in der Chemie dieser Gewässer gibt, die Auswirkungen auf das haben können, was die Mikroben dort unten tun.
Daher wird sich ein Großteil der künftigen Arbeit auf diesem Gebiet darauf konzentrieren, den Umweltkontext zu verstehen, in dem diese Mikroben wachsen. Und natürlich warten im Labor viele Patienten darauf, dass Mikroben nur mit Wasser und Steinen wachsen.