Bildmontage: Bilder aus Raumfahrt und Planetenforschung, neben einer comichaften Illustration eines Außerirdischen

E.T. und Co. – Außerirdischem Leben auf der Spur

Kaum ein Forschungsgebiet hat schon so viele Gerüchte und Spekulationen hervorgebracht wie die Suche nach außerirdischen Lebensformen. So vermutete beispielsweise der Astronom William Herschel vor über 200 Jahren, dass „die zahllosen kleinen Kreise auf der Mondoberfläche das Werk von Lunarianern sind, und vielleicht als ihre Städte bezeichnet werden können“. Wegen der perfekten Form dieser Krater schien es ihm unmöglich, dass sie auf natürliche Weise entstanden sein könnten.

Möchte man jedoch über Spekulation hinausgehen und rein wissenschaftlich nach Leben suchen, stellt sich zunächst die Frage, was Leben eigentlich ist. Eine eindeutige Definition dafür zu finden ist keine leichte Aufgabe, da Astronomen nur von dem uns bekannten Leben auf der Erde ausgehen können. Am vielversprechendsten ist es also, zunächst nach erdähnlichen Bedingungen im Kosmos Ausschau zu halten.

Der Lebensraum

Eine der wichtigsten Voraussetzungen ist der Lebensraum. Von der Erde als Vergleichsobjekt ausgehend wird daher nach Himmelskörpern gesucht, die wie die innersten vier Planeten unseres Sonnensystems aus Gestein (Silikaten) und Metallen aufgebaut sind. Darüber hinaus sollten sie in etwa die Größe unseres Heimatplaneten haben, um durch ihre Eigengravitation beispielsweise eine Atmosphäre halten zu können.

Planeten, die nicht unsere Sonne, sondern einen anderen Stern umkreisen, werden als extrasolare Planeten, kurz Exoplaneten, bezeichnet. Für die Entstehung und Entwicklung von Leben bringt ein Planet oder Exoplanet gleich mehrere Vorteile mit sich. Zum einen kann das Zentralgestirn genug Energie liefern, um beispielsweise flüssiges Wasser auf dem Himmelskörper zu ermöglichen. Wasser ist nach unserem Wissen absolut unverzichtbar für die Existenz von Leben, da es als Lösungsmittel und Träger biochemischer Reaktionen fungiert. Entscheidend ist dabei, dass das Wasser in flüssiger Form vorliegt.

Schema: Planeten und Lage der habitablen Zone für das Sonnensystem und das Gliese 581-System. Die Sonne ist ein deutlich größerer Stern, mit der Erde in der habitablen Zone. Im Gliese 581-System liegt sie deutlich näher, zwei der sechs Planeten liegen wahrscheinlich darin.
Bewohnbare Zone in Sternensystemen

Damit ist auch die Oberflächentemperatur des Planeten für die Entstehung von Leben von Bedeutung. Diese wird hauptsächlich durch den Abstand des Planeten zum Zentralgestirn beeinflusst. Daraus ergibt sich die sogenannte habitable Zone, in der auf einem Himmelskörper Temperaturen zwischen 0 °C und 100 °C herrschen. Nur wenn sich der Exoplanet in dieser Zone befindet, ist dort auch Leben möglich.

Zum Anderen spielen die auf der Oberfläche eines Planeten befindlichen Stoffe eine wichtige Rolle. Leben baut hauptsächlich auf sechs verschiedenen chemischen Elementen auf. Neben Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel ist dabei Kohlenstoff besonders wichtig, da dieser als eine Art „Grundgerüst“ oder „Skelett“ vieler Biomoleküle fungiert. Auf Himmelskörpern kommen diese sechs Elemente meist in Verbindungen, wie zum Beispiel in Form von Wasser (H2O) oder Methan (CH4), vor. Fehlt einer dieser „Grundbausteine“ ist auch kein Leben möglich.

Konstante Bedingungen durch eine Atmosphäre und Meere

Vorteilhaft für die Entstehung von Leben ist die Stabilität entscheidender Umweltfaktoren, wie der Temperatur oder der Stoffverhältnisse. Dagegen sind auf einem „nackten“ Gesteinsplaneten, der die oben genannten Voraussetzungen erfüllt, große Temperaturschwankungen der Regelfall. Diese können beispielsweise im Wechsel von Tag und Nacht bis zu mehreren 100 °C betragen. Auch der Wechsel der Jahreszeiten stellt eine Herausforderung für Leben dar. Auf der Erde entstehen Jahreszeiten durch die Neigung der Rotationsachse. Daneben kann aber auch eine stark elliptische Umlaufbahn Temperaturschwankungen im Verlauf eines Planetenumlaufes, also Jahreszeiten, hervorrufen.

Schema: Vergleich der Größen und Zusammensetzungen der Gasplaneten des Sonnensystems im Vergleich zur Erde. Jupiter ist der größte, gefolgt von Saturn. Deutlich kleiner und ähnlich groß sind Uranus und Neptun.
Struktur von Planeten

Durch welche Faktoren kann nun das Klima eines Planeten ausgeglichen und stabilisiert werden? Unverzichtbar für Leben ist zweifellos eine geeignete Atmosphäre. Sie speichert nicht nur lebenswichtige Gase wie Sauerstoff, sondern filtert auch einen Großteil der kosmischen Strahlung, der UV-Strahlung und andere schädliche Strahlungsarten. Darüber hinaus sind atmosphärische Phänomene wie Winde oder ein Treibhauseffekt in der Lage, die durch die Jahreszeiten oder den Tagesverlauf hervorgerufenen Temperaturschwankungen zu dämpfen.

Neben der Atmosphäre haben auch Meere dank ihrer Eigenschaft als Wärmespeicher eine ausgleichende Wirkung auf das Klima eines Planeten. Hat sich auf diese Weise ein stabiles Ökosystem entwickelt, können sich komplexere Lebewesen auch erfolgreich an schwierige Bedingungen, wie das Leben an Land, anpassen.

Unsere Erde ist ein „lebendes“ Beispiel dafür, dass solche komplexen Voraussetzungen durchaus von einem einzelnen System erfüllt werden können. Nun stellt sich die Frage, ob die Erde damit ein sensationeller Einzelfall ist, oder ob der Kosmos doch nicht so unbelebt ist, wie er auf den ersten Blick scheint.

Der amerikanische Physiker Frank Drake stellte in den 1960er Jahren eine Formel auf, um die Anzahl der Zivilisationen in der Milchstraße abzuschätzen. Diese beruht auf der Multiplikation von Wahrscheinlichen und Größen wie der Sternentstehungsrate unserer Galaxie und der „Lebenserwartung“ einer Zivilisation. Leider können die meisten Werte nur grob abgeschätzt werden, was zu großen Schwankungen im Endergebnis führt. Es handelt sich also wieder fast ausschließlich um reine Spekulation.

Direkte Planetenforschung ist nur in unserem eigenen Sonnensystem möglich. Zahlreiche Missionen haben sich zu unseren kosmischen Nachbarn aufgemacht, sind jedoch meist auf Umgebungen gestoßen, die sich sehr stark von der Erde unterscheiden. Leben, wie wir es kennen, könnte dort nicht existieren. Zwar gibt es Vermutungen, unter der dicken Eisdecke des Jupitermondes Europa auf ein belebtes Meer stoßen zu können, eine direkte Überprüfung steht allerdings noch aus.

Schema für ein gemeinsames Spektrum von Stern und Planet, von dem ein Spektrum des Stern allein (bei Verdeckung des Planeten) abgezogen wird. Übrig bleibt das Spektrum des Planeten.
Spektralanalyse von Planeten

Außerhalb unseres Sonnensystems sind bei der Suche nach Planeten sehr schnell die Grenzen der Technik erreicht. Zwar wird vermutet, dass Sterne ohne ein Planetensystem eine Seltenheit sind, doch haben wir nur bei wenigen Sternen die Möglichkeit, sie genauer zu untersuchen. Hinzu kommt, dass die Entdeckungsmethoden große, für Leben ungeeignete Gasriesen in geringem Abstand zum Zentralgestirn bevorzugen. Erdähnliche Planeten sind somit sehr schwer nachzuweisen, auch ihre Häufigkeit lässt sich anhand der vorliegenden Daten nur schlecht abschätzen. Entdeckt man dennoch einen möglicherweise bewohnbaren Planeten, wäre es mit heutigen Mitteln nahezu unmöglich, darauf Leben nachzuweisen.

Auf der Suche nach Lebenszeichen

Völlig aussichtslos ist es dabei, zu versuchen, Leben direkt auf der Oberfläche eines Planeten zu „sehen“. Sterne können nicht optisch aufgelöst, sondern nur als punktförmige Objekte am Himmel wahrgenommen werden. Erst recht ist also die Oberfläche ihrer Planeten optisch nicht aufzulösen. Hinzu kommt, dass es durch die geringe Helligkeit und Nähe zum Zentralgestirn oft nicht einmal möglich ist, einen Exoplaneten überhaupt direkt abzubilden.

Chemische Strukturformeln für Glycerin (als Beispiel für Saccharide oder auch Zucker), Glycin (als Beispiel für Aminosäuren) und ein Lipid (Fett).
Wichtige Biomoleküle

Um Leben dennoch nachweisen zu können, sucht man nicht nach den Lebewesen direkt, sondern den „Spuren“, die sie hinterlassen, den sogenannten Biosignaturen. Dazu zählen beispielsweise atmosphärische Gase, wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid, aber auch direktere Hinweise wie z.B. durch Pflanzen reflektiertes Infrarotlicht. Anfang 2013 gelang es mittels Spektroskopie tatsächlich die Zusammensetzung von vier Exoplaneten um den Stern HR 8799 zu bestimmen. Von der Atmosphärenuntersuchung kleinerer, womöglich lebensfreundlicher Gesteinsplaneten sind wir jedoch noch weit entfernt.

Im Gegensatz zu den komplexen Anforderungen für eine Umgebung, die Leben erlaubt, bilden sich einige der wichtigsten Biomoleküle, wie die Aminosäuren, relativ einfach. Sie sind die Grundbausteine der Proteine (Eiweiße), die im menschlichen Körper vor allem als Baustoffe dienen. Neben anderen organischen Substanzen konnten sie bereits in mehreren Meteoriten nachgewiesen werden. Auch im Schweif des Kometen Wild 2 fand man Glycin, eine der 20 Aminosäuren, auf denen Leben basiert. Vermutlich entstehen organische Moleküle im gesamten Universum auf Gesteinsoberflächen, welche die richtigen Ausgangsstoffe bereithalten. Die für die Reaktionen erforderliche Energie kann aus kosmischer oder UV-Strahlung oder durch Stoßwellen und Hitze bei Kollisionen aufgewendet werden. Ähnliches könnte auch auf der frühen Erde passiert sein.

Unterwasseraufnahme vom Ozeanboden. Rauchschlote senden schmutzige Fahnen aus dem Ozeanboden ins das Wasser darüber. Um die Schlote herum teppichartiger Bewuchs.
Extrembedingungen am Meersboden

Sucht man nach außerirdischen Lebensformen, muss man davon ausgehen, dass sie sich sehr vom Leben auf der Erde unterscheiden. Organismen passen sich im Laufe der Zeit immer besser an ihre Umgebung an. Daher könnte sich Leben in gewissem Rahmen auch an eher ungünstige Bedingungen anpassen. Dafür gibt es bereits zahlreiche Beispiele auf der Erde, wie Bakterien, die heiße Quellen in der Tiefsee bevölkern oder natürliche Radioaktivität aus dem Erdboden nutzen. Allerdings ist diese Anpassung an Extreme nur bis zu dem Punkt möglich, an dem gerade noch alle Grundvoraussetzungen für Leben gegeben sind: Es ist ein Mindestdruck durch eine Atmosphäre nötig, etwa um Sauerstoff oder Schutz vor schädlicher Strahlung zu bieten. Dazu zählt vor allem auch das Vorhandensein eines flüssigen Lösungsmittels, wie Wasser.

Ein auf Wasser basierendes Ökosystem wie unseres könnte also keinesfalls bei Temperaturen außerhalb von 0 °C bis 100 °C existieren. Um Leben selbst unter solch widrigen Bedingungen möglich zu machen, müssten „Ersatzstoffe“ gefunden werden, die ähnliche Eigenschaften haben. Wasser gefriert schon bei Temperaturen über 0 °C, sofern der Druck ausreichend niedrig ist. Bei –100 °C sieht es damit für Leben, das auf Wasser als Lösungsmittel angewiesen ist, wirklich schlecht aus …

Ersatz für das Wasser

Einen Ersatz für Wasser zu finden ist alles andere als einfach, denn es hat viele Vorteile. Dazu zählt beispielsweise die Dichteanomalie, wonach die Dichte von Wasser nicht im festen Zustand, sondern bei etwa 4 °C, am größten ist. Eis ist damit leichter als ein Teil des Wassers, weshalb Teiche und Seen im Winter von oben her zufrieren. Fische und andere Wassertiere können so oft gefahrlos am Grunde des See überwintern, wo weiterhin flüssiges Wasser zur Verfügung steht.

Chemisches Struktubild eines Moleküls: Von einem zentralen Silikon-Atom gehen tetraeder-förmig vier Bindungen zu Wasserstoffatomen ab.
Monosilan: „Methan“ auf Silikonbasis

Möglicherweise könnten Methan oder andere Kohlenwasserstoffe auch ohne Dichteanomalie als Lösungsmittel fungieren. Welten, in denen sie Wasser komplett ersetzen sind mehr als bloße Phantasie: Auf dem Saturnmond Titan existierten nach den Erkenntnissen der Raumsonde Huygens einst Flussläufe aus Kohlenwasserstoffen und gelegentlich regnet es Methan aus der Atmosphäre. Auch flüssiger Stickstoff und Ammoniak werden als mögliche Kandidaten diskutiert.

Auf der anderen Seite wird auch über Alternativen für das „Grundgerüst“ unserer Biomoleküle, den Kohlenstoff, nachgedacht. Eine Möglichkeit wäre Silizium, das zwar ähnliche Eigenschaften wie Kohlenstoff aufweist, jedoch auf der Erde starke Bindungen ausbildet und hauptsächlich in Form von Silikaten (Gestein) vorkommt.

Es scheint also wirklich so, als ob die Kombination von Kohlenstoff und Wasser eine sehr gute Basis für Leben darstellt, die nicht ohne weiteres ersetzt werden kann. Dennoch wären andere Ökosystem durchaus vorstellbar. Vielleicht stoßen wir dennoch eines Tages auf siliziumbasierte Wesen, die in Ammoniakseen herumschwimmen.

Alles in allem ist die Entstehung von Leben im Einzelfall extrem unwahrscheinlich und benötigt viel Zeit. Übertragen auf die mehreren Hundert Milliarden Sterne alleine in unserer Milchstraße ist es aber durchaus möglich und vielleicht sogar wahrscheinlich, dass es im Kosmos noch eine „zweite Erde“ gibt. Nur ist es technisch extrem schwierig, die Existenz von Leben zu bestätigen oder zu widerlegen. Dies scheitert nicht zuletzt daran, dass nicht klar ist, was überhaupt Leben alles sein kann.

Ein Besuch von E.T. bleibt damit wohl vorerst im Reich der Science Fiction. Immerhin, unmöglich ist er nicht, nur eben sehr, sehr unwahrscheinlich.