UNIPRESS* - MISSION WELTRAUM - UNIVERSITÄT BERN
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Mission Weltraum
* Gespräch – Christine Göttler über Kunst-Räume und Zufluchtsorte 32
* Begegnung – Veronica Schärer ist begabt und wird gefördert 36
J u n i 2 0 13 157
* Forschung – Hightech-Analysegerät für Klima, Luft und Bilder 30
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M I S S I O N W E LT R A U M
Verschwörungstheoretiker zweifeln – waren die US-Amerikaner
wirklich auf dem Mond? Die Berner wissen es: Hier wurde
von Physiker Johannes Geiss jenes Sonnensegel entwickelt, das
Neil Armstrong noch vor dem Sternenbanner auf dem Mond
entrollte. Und in den Berner Labors wurden die Spuren des
Sonnenwinds in diesem Segel analysiert: Ja, die US-Amerikaner
waren auf dem Mond. Auch heute sind die Berner Weltraum-
forschenden Pioniere. So soll etwa 2014 die Sonde Rosetta mit
dem Berner Massenspektrometer ROSINA an Bord erstmals eine
Landeeinheit auf einem Kometen absetzen, und ab 2017 soll
der Satellit CHEOPS Planeten in fremden Sonnensystemen
erforschen.
Die Bernerinnen bauen Instrumente, die im All Messungen
vornehmen, sie machen sich mit hochauflösenden Kameras ein
Bild von fernen Objekten, und sie entwickeln Computersimula-
tionen aus den Daten von Raumsonden. Zugrunde liegt der
«Mission Weltraum» die eine grosse Frage: Wie entstand das
Leben – und gibt es mehr davon im All? Die Suche nach
Antworten übersteigt den Horizont einer einzelnen Disziplin.
Deshalb arbeiten im «Center for Space and Habitability» jetzt
Physikerinnen mit Biochemikern und Geologen zusammen. Für
den Bau von Fluginstrumenten wiederum braucht es Partner-
schaften mit der Industrie – und die Finanzkraft und Expertise,
die nur ein internationales Netzwerk wie die ESA bieten kann.
Mit dem Berner Professor Willy Benz präsidiert die Schweiz
gegenwärtig gemeinsam mit Luxemburg den Ministerrat der
Europäischen Weltraumorganisation. Das wichtigste Erfolgs-
rezept in der Weltraumforschung aber ist die Konstanz, die Bern
seit 40 Jahren auszeichnet: Sie stellt sicher, dass noch jemand da
ist, der ein Fluginstrument mit einem uralten 386-er Prozessor
bedienen kann, wenn es nach zehn Jahren Flug am Ziel
ankommt. Weltraumforschung ist ein Langstreckenlauf, bei dem
viele grosse Schritte für die Menschheit erst noch bevorstehen.
In ganz andere Räume stösst das Institut für Kunstgeschichte
vor: In einem Nationalfonds-Projekt werden neuartige Fragen
zum Verhältnis zwischen Innenräumen und menschlichen Prak-
tiken gestellt. Eine abstrakte Fragestellung, die aber zu
konkreten Erkenntnissen führt, wie das «Gespräch» mit Prof.
Christine Göttler zeigt. «Erst im Zuge der industriellen Revolution
wird die ästhetische Gestaltung von Interieurs klar den Frauen
überlassen», so die Projektleiterin: Sie sollten das Zuhause so
einrichten, dass sich die Männer vom anstrengenden Berufsleben
optimal erholen können.
Wir wünschen Ihnen eine anregende Lektüre.
Timm Eugster und Marcus Moser
UniPress 157/2013 1
Licht – Was uns erhellt Sonderfall Hauptstadtregion Geld bewegt
* Gespräch – Hansjörg Znoj über die Psychologie des Motorrads 36 * Gespräch – Hanno Würbel schützt Mäuse und Menschen 32
* Gespräch – Rektor Martin Täuber über Rankings, Geld und Visionen 36
* Begegnung – Ruth Meyer Schweizers Universität für junge Alte 40 * Begegnung – Roger Hänni baut Teilchenfallen 36
* Begegnung – Von der Exotin zur Alumni-Präsidentin Nadine Gehrig 40
Dezember 2011 151 A p ri l 2 0 1 2 152 Juni 2012 153
* Forschung – Arabist mit 260 ägyptischen Popsongs im Ohr 32 * Forschung – Dem Vergessen auf der Spur 26
UniPress* UniPress*
* Forschung – In Multikulti-Klassen lernen Kinder gut 32
UniPress*
Forschung und Wissenschaft an der Universität Bern Forschung und Wissenschaft an der Universität Bern Forschung und Wissenschaft an der Universität Bern
Gotthelf neu entdecken Trends in der Spitzenmedizin Archäologie – Graben nach Geschichten
* Gespräch – Brigitte Schnegg über die Kehrseiten der Care-Arbeit 40 * Gespräch – Benedikt Meyer über Glanz und Elend des Fliegens 40 * Gespräch – Bruno Moretti will mit guter Lehre punkten 40
* Begegnung – Sandro Vicini blickt in die Seele der Universität 44 * Begegnung – Anne-Marie Kaufmann, Bäuerin und Priesterin 44 * Begegnung – Cédric sucht «Action» an der Kinderuni 44
Okto b er 2 0 1 2 154 Dezember 2012 155 Apri l 2013 156
* Spezial – Nachhaltige Lösungen für Nord und Süd 32 * Forschung – Das Klima der Zukunft 30 * Forschung – Junge Tibeter leben ihre Religion eigenständig 36
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2 UniPress 157/2013
Inhalt
M I S S I O N W E LT R A U M
4 Weltraum-Missionen mit Berner Beteiligung
Von Sylviane Blum
7 ROSINAS Reise zurück zum Ursprung
Von Kathrin Altwegg
10 Wie Kollisionen Himmelskörper formen
Von Martin Jutzi
13 Wie LUCA, die Urzelle des Lebens, entstand
FORSCHUNG UND RUBRIKEN Von Oliver Mühlemann
19 Auf den Spuren von flüssigem Wasser
Forschung Von Nicolas Thomas und Antoine Pommerol
28 Investitionspolitik: Neuer Wind 23 CHEOPS soll ferne Planeten vermessen
in der Handelsförderung Von Willy Benz
Von Erich Schwarz
30 Klimaforschung: «Oeschger-Zähler» erhalten Bildstrecke: Ein Fluginstrument entsteht.
Hightech-Nachfolger ROSINAS Geschichte von der Entwicklung
Von Kaspar Meuli bis zur geplanten Ankunft beim Kometen
Churyumov-Gerasimenko.
Angaben zu den einzelnen Bildern: Seite 27
Rubriken
1 Editorial
32 Gespräch
Christine Göttler – Von Kunst-Räumen
Von Timm Eugster
36 Begegnung
Veronica Schärer – Pendlerin
zwischen verschiedenen Welten
Von Marcus Moser
38 Meinung
Macht direkte Demokratie wirklich glücklich?
Von Isabelle Stadelmann-Steffen
39 Bücher
40 Impressum
UniPress 157/2013 3
Weltraum-Missionen mit Berner Beteiligung
Schon bei der ersten Mondlandung vor über 40 Jahren war die Universität
Bern dabei. Seither haben die Berner Weltraumforschenden ihren inter-
nationalen Ruf mit zahlreichen Experimenten bekräftigt. Hier werden die
Wichtigsten vorgestellt.
Von Sylviane Blum
Apollo-Sonnensegel
Sonnenteilchen vom Mond
Mit der ersten Mondlandung 1969 LDEF
begann die Erfolgsgeschichte der Berner Teilchen aus interstellarem Raum Giotto
Weltraumforschung. Der Sonnenwind- Einzigartige, in Bern entwickelte Metall- Treffen mit Halley
kollektor des Physikers Johannes Geiss folien wurden ab 1984 auf der Ober- Kometen sind Überreste der Ursuppe, die
war das einzige nicht amerikanische fläche des LDEF-Satelliten und auf der tiefgefroren als grosse Brocken aus Eis und
Experiment der Apollo-11-Mission. Dabei russischen Raumstation MIR angebracht. Staub in den entferntesten Gebieten des
genoss das kleine Gestell mit ausroll- Mit diesem COLLISA genannten Experi- Sonnensystems erhalten blieben. Sie
barer Alufolie eine besonders hohe ment fingen Berner Forscher Teilchen bergen unschätzbare Informationen über
Priorität: Noch bevor sie die US-Flagge ein, die aus dem interstellaren Raum die Zeit der Bildung des Planetensystems
in den Mondboden steckten, stellten die stammen, also von ausserhalb unseres vor 4,5 Milliarden Jahren. Das erste Treffen
Astronauten Neil Armstrong und Edwin Sonnensystems. Ihre Untersuchung gibt mit einem Schweifstern gelang der euro-
Aldrin die Berner Vorrichtung auf. Hinweise über die Zusammensetzung des päischen Mission Giotto am 13. März 1986.
Zurück im Labor von Johannes Geiss, Universums kurz nach dem Urknall. Dabei raste die Sonde mit 24 730 Stunden-
lieferte die Folie unschätzbare Informa- kilometern 600 Kilometer weit am Komet
tionen über die chemische Zusammen- Halley vorbei. Dies genügte dem Berner
setzung der Sonne. Weitere Berner Massenspektrometer IMS, um die abge-
Sonnenwindkollektoren begleiteten die dampfte Atmosphäre des «kosmischen
nächsten Apollo-Missionen. Eisbergs» zu untersuchen und zu
beweisen, dass Halley mehrheitlich aus
Wassereis besteht und einfache organische
Moleküle aufweist.
GEOS 1 und 2
Gut bestückter Satellit
Die ersten europäischen Satelliten,
GEOS 1 und GEOS 2, trugen 1977 und Ulysses
1978 die ersten Schweizer Massen- Der Spion, der die Sonne beschattete
spektrometer mehrere hundert Kilo- Um mehr über die Sonne zu erfahren,
meter in die Höhe. Das Instrument S-303 schickten NASA und ESA 1990 die Sonde
wurde an der Universität Bern ent- Ulysses auf eine Umlaufbahn um deren
wickelt und von der Firma Contraves Pole. Mit an Bord war das Berner Massen-
gebaut. Dieses kleine Wunder der Welt- spektrometer SWICS. Damit stärkte die
raumtechnologie war knapp fünf Kilo- Universität Bern, im Anschluss an ihre
gramm schwer und flugfähig – ganz im Experimente mit den Sonnenwindkollek-
Gegensatz zu den damaligen tonnen- toren auf dem Mond, ihre Führungsrolle in
schweren Massenspektrometern, die auf der Analyse des Sonnenwinds.
der Erde im Einsatz standen. S-303 ver-
riet wichtige Kenntnisse über die äus-
serste Hülle unserer Erde, die Magneto-
sphäre, welche die Erde in rund tausend SOHO
Kilometern Höhe vor den zerstörerischen Geheimnisse der Sonne lüften
Teilchen des Sonnenwinds schützt. Fünf Jahre nach Ulysses schickten 1995 ESA
und NASA das Sonnenobservatorium SOHO
ins All. Das hoch empfindliche Berner
Ionen-Massenspektrometer CELIAS flog
mit. SOHO liefert heute noch laufend neue
Daten über die Sonne.
1969 1977 1984 1986 1990 1995
4 UniPress 157/2013 Mission Weltraum
Rosetta CHEOPS
Das grösste Wagnis der ESA Klein, aber ambitioniert
Im Anschluss an die erfolgreiche An- Ab 2017 soll ein kleiner, 200 Kilogramm
näherung an den Kometen Halley mit der leichter Satellit namens CHEOPS Planeten
Sonde Giotto, startete die ESA 2004 ihre in fremden Sonnensystemen erforschen.
waghalsigste Mission: Zum ersten Mal soll Dabei ist die Schweiz zum ersten Mal,
eine Weltraumsonde einen Kometen in zusammen mit der ESA, für eine ganze
nächster Nähe auf seiner Bahn um die Mission verantwortlich – die Federführung
Sonne begleiten und einen Lander auf liegt beim Center for Space and Habita-
einem Kometen absetzen. Zudem ist bility der Universität Bern. CHEOPS soll aus
Rosetta bisher die einzige Sonde, die ohne einer erdnahen Umlaufbahn während drei-
radioaktive Energiequelle und nur mit einhalb Jahren etwa 500 helle Sterne
Sonnenenergie weiter als die Jupiter-Bahn beobachten und ihre Planeten charakteri-
ins All hinaus flog: Letzten Herbst war sie sieren. Er wird uns vielleicht dem Fern-
fast 800 Millionen Kilometer von der ziel näher bringen, eines Tages einen
Sonne entfernt. Zwei Schlüsselinstrumente Planeten zu entdecken, der erdähnliche
der Mission wurden an der Universität Eigenschaften hat und auf dem Leben
Bern entwickelt und gebaut: Die Massen- denkbar ist. Siehe dazu Seite 23.
spektrometer ROSINA-DFMS und
ROSINA-RTOF. Sie werden nächstes Jahr
die chemische Zusammensetzung der
nebligen Hülle des Kometen analysieren.
Siehe dazu Seite 7.
HiRISE
Big Brother behält Mars im Auge
Seit 2006 erfasst die Spionagekamera
HiRISE an Bord des Mars Reconnaissance JUICE
Orbiters der NASA alle Geschehnisse auf Flüssiges Wasser auf Jupiter-Monden?
der Oberfläche des roten Planeten. Letztes Vor einem Jahr wählte die ESA JUICE
Jahr schoss HiRISE Bilder der Landung von als nächste grosse wissenschaftliche
Curiosity. Berner Forscher haben HiRISE Mission aus. Die gleichnamige Raumsonde
mitentwickelt und entscheiden nun mit, soll 2022 ins All starten und acht Jahre
welche Gebiete des Mars fotografiert später den Planeten Jupiter und seine
werden sollen. Siehe dazu Seite 19. Eismonde erreichen. JUICE soll drei der
vier Galileischen Jupitermonde untersu-
chen und herausfinden, ob in ihrem
Inneren flüssiges Wasser verborgen ist −
BepiColombo und damit die Grundvoraussetzung für die
Merkurs Berge und Täler Entstehung von Leben.
Eine weitere Herausforderung für die Berner Weltraumforschende sind an
Weltraumforscher der Universität Bern ist, zwei der elf Experimente beteiligt: Sie
das grösste und heikelste Instrument der werden das Massenspektrometer für die
ESA-Mission BepiColombo zu realisieren. Erforschung der Exosphären der drei
Das Berner Laser Altimeter BELA soll eines Monde und das sogenannte «Range Finder
Tages die Topografie des Planeten Merkur Modul» für das Laser Altimeter zur Unter-
mit seinen Bergketten und Tälern suchung der Topografie des Monds
bestimmen. Ganymed beisteuern.
2004 2006 2014 2017 2022
Mission Weltraum UniPress 157/2013 5
6 UniPress 157/2013
ROSINAS Reise zurück zum Ursprung
Nach zehn Jahren Flug wird die Raumsonde
Rosetta 2014 beim Kometen Churyumov-
Gerasimenko ankommen. Mit an Bord ist das an
der Universität Bern entworfene Spektrometer
ROSINA. Die Mission führt zum Ursprung unseres
Sonnensystems – und vielleicht zu den Anfängen
des irdischen Lebens.
Von Kathrin Altwegg
Am 2. März 2004 startete eine Ariane Start wurden unsere Instrumente im Flug instrument im Labor, wiederum unzählige
5-Rakete von Französisch-Guyana aus mit getestet: eine Nervenprobe sondergleichen. Konferenzen mit unseren internationalen
grossem Getöse in den wolkenverhangenen Es begann harmlos mit der Inbetrieb- Partnern, die die Elektronik gebaut hatten.
Nachthimmel. Damit begann die lange nahme des kleinsten Sensors, unseres Glücklicherweise dauert die Reise von
Reise der europäischen Kometenmission Druckmessgeräts COPS, das ohne Probleme Rosetta zehn Jahre und glücklicherweise
Rosetta zum Zielkometen Churyumov- seine Arbeit aufnahm. Das Aufsprengen der hatten wir Zwillingsinstrumente hier auf der
Gerasimenko, eine Reise durchs All und Deckel der beiden Massenspektrometer im Erde. Diese Abklärungen wurden mit der
gleichzeitig eine Reise zurück zu unserem Weltall hingegen gelang erst im zweiten Zeit nicht einfacher, wurden doch Mit-
Ursprung. Wir Berner Forschende nahmen Anlauf. Da wurde uns so richtig bewusst, arbeitende bei uns in Bern und im Ausland
mit einem lachenden und einem weinenden was es heisst, ein Fluginstrument zum pensioniert, wechselten die Stelle, ein kon-
Auge Abschied von unserer ROSINA Laufen zu bringen, das sich im Weltall halt stanter Abfluss von Know-how.
(Rosetta Orbiter Sensor for Ion and Neutral doch ein bisschen anders verhält als im Per Zufall konnten wir schlussendlich
Analysis), die uns während der vorangegan- Labor, so ganz ohne Gravitation und bei den Fehler im Labor reproduzieren, wieder-
genen acht Jahre intensiv beschäftigt hatte. anderen Temperaturbedingungen. Es waren um Hochspannungsüberschläge in der Elek-
1995 wurde unser Antrag von der Euro- einige Schrecksekunden oder eher -stunden tronik, und – dank dem Einfallsreichtum
päischen Weltraumorganisation (ESA) ange- zu überstehen, bis wir wussten, dass die unseres Berner Elektronikingenieurs – dann
nommen, 1996 begannen wir mit dem Deckel richtig offen waren. Nach ein paar mit einer reinen Softwarelösung beheben.
Design von Prototypen. Der Bau des Instru- Monaten, während denen die Instrumente Im März 2010, fast genau sechs Jahre nach
ments mit seinen Hochs und Tiefs, die teils ausgasen konnten, wurde dann zuerst beim dem Start, funktionierte dann auch RTOF
aufreibende, teils äusserst anregende Massenspektrometer DFMS die Hoch- wie gewünscht, nachdem die entsprechen-
Zusammenarbeit mit der Schweizer Indus- spannung eingeschaltet – und es passierte, de Software per Funk an das Fluginstru-
trie, die unsere Pläne und Konzepte in ein was jeder, der mit Weltrauminstrumenten ment übermittelt wurde. Genau rechtzeitig,
flugfähiges Instrument umgesetzt hatte, zu tun hat, besonders fürchtet: Es kam zu um während dem Vorbeiflug am Asteroiden
waren damit zu Ende. All die unzähligen elektrischen Überschlägen. Da bei den Lutetia im Juli 2010 die ersten wisseschaft-
Nachtschichten bei der Weltraum-Test- Instrumenten jedes Gramm gespart werden lichen Messungen machen zu können.
kammer, die hitzigen Diskussionen nach muss, um sie flugtauglich zu machen, geht
dem Auftreten von Anomalien, die vielen man punkto Isolationsabstände nahe an die Anlauf holen beim Mars
Telekonferenzen mit unseren ausländischen physikalische Grenze – und hier ging man Unterdessen hatte Rosetta drei Erdvorbei-
Partnerinstituten gehörten der Vergangen- offensichtlich zu nahe daran. Hat sich beim flüge und einen Marsvorbeiflug hinter sich
heit an. Aus den anfänglichen Projekt- Start irgendetwas verschoben oder gelöst? und befand sich in einer Distanz von der
skizzen und den ersten Prototypen waren Wir wissen es auch heute noch nicht. Sonne, die vor ihr noch keine Raumsonde
funktionierende Weltrauminstrumente Glück im Unglück! Mit Hilfe des Zwillings- nur mit Sonnenenergie erreicht hatte. Die
geworden, die sorgfältig in die Rosetta- instruments fanden wir im Labor einen Vorbeiflüge an den Planeten waren eine Art
Sonde eingebaut wurden und mit dieser Parametersatz für die Hochspannungen, kosmisches Pingpong. Durch die Gravitation
zusammen die letzten Tests vor dem Start bei dem die kritische Spannung erheblich wurde ein klein bisschen der Bewegungse-
mit Bravour bestanden hatten. gesenkt werden konnte, ohne die Eigen- nergie der Planeten um die Sonne auf die
schaften des Instruments zu verändern. Mit Sonde übertragen, so dass Rosetta bei jeder
Schreckstunden und Nervenproben einem Software-Update per Funk wurde Begegnung mit einem Planeten mehr
Einige Mitarbeiter, Ingenieurinnen und Post- das Problem so behoben. Geschwindigkeit erhielt. So erreichte sie
docs mussten sich nach dem Start anderen schliesslich die Bahn, die sie zum Kometen
Aufgaben zuwenden, und manche ver- Zehn Jahre Zeit, um Fehler bringen wird.
liessen unser Institut. Nicht, dass damit das zu beheben Regelmässig testeten wir unsere Geräte
ROSINA-Projekt zu Ende war. Im Gegenteil, Das andere Massenspektrometer, RTOF, liess und stellten dabei fest, dass Rosetta ganz
es folgten und folgen noch viele weitere sich ohne weiteres einschalten. Ein paar schön «dreckig» ist. Unsere Massenspektro-
Jahre mit zum Teil intensiver Arbeit – aber Monate später, bei einem weiteren Test, meter sind so empfindlich, dass sie alles
die Arbeit ist seit dem fulminanten Start verhielt sich dann aber genau dieser Gas, das aus Rosetta auch nach vielen
von Rosetta eine andere. Zurück im Labor Sensor sehr sonderbar, entwickelte ein Jahren noch austritt, analysieren können.
blieben neben einigen Wissenschaftlern Eigenleben, verstellte seine Spannungen, Vakuumfett, Epoxid-Harze, Polyurethane
auch das Zwillingsinstrument von ROSINA, ohne Kommandos zu bekommen. Wir und vieles mehr können wir so nachweisen.
ein komplettes Ebenbild des Fluginstru- brauchten mehrere Jahre, um das zu Glücklicherweise wird die Koma, also die
ments im All. In den Monaten nach dem verstehen, unzählige Tests am Zwillings- leuchtende Gashülle des Kometen, dann
Mission Weltraum UniPress 157/2013 7
Rosetta über dem Mars. Im Vordergrund sind die Konturen der Im Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt herrscht Hochspannung: Warum
Raumsonde zu erkennen. sendet das ROSINA-RTOF-Instrument bloss «Error»-Meldungen aus dem All?
aber um mehrere Grössenordnungen dich- Rosetta dann in eine Umlaufbahn um den Gravitation wie zum Beispiel durch Ge-
ter sein als die «Koma» von Rosetta, so Kometen gehen und ihn während fast zeitenkräfte unserer Galaxie oder vorbei-
dass uns diese Wolke nicht mehr stören eineinhalb Jahren auf seiner Bahn um die ziehende Sterne wieder ins Innere des
wird. Unser Instrument im Labor setzen wir Sonne begleiten. Am 11. November 2014 Sonnensystems gelangen.
absichtlich ähnlichen Substanzen aus. Fast soll dann eine Landeeinheit abgesetzt Kometen bestehen hauptsächlich aus Eis
täglich werden die Instrumente seit vielen werden. So steht uns eine wissenschaftlich (Wasser und Kohlendioxyd) und Staub.
Jahren von unseren Masterstudierenden, äusserst interessante Zeit bevor. Dieses Material wurde während den 4,6
Doktorierenden und Postdocs betrieben Wieso eigentlich ein Komet, und wieso Milliarden Jahren, die unser Sonnensystem
und mit allem Möglichen geeicht. Damit ausgerechnet Churyumov-Gerasimenko? existiert, gut tiefgefroren und damit konser-
wollen wir die Reaktion der Instrumente auf Die zweite Frage ist einfach zu beant- viert. Nur wenn ein Komet in die Nähe der
verschiedenste Gase und Gasmischungen worten: Churyumov-Gerasimenko war Sonne kommt, verdampft dieses Material,
testen, damit wir dann die Signale, die uns einfach am richtigen Ort, als wegen einer was dann zu den schönen Kometen-
vom Kometen per Funk übermittelt werden, Startverzögerung der Ariane 5 im Jahr 2003 schweifen führt. Durch die Analyse dieses
richtig interpretieren können. die Reise zu unserem ursprünglichen Zielko- Materials können wir Rückschlüsse auf die
Dies hilft aber auch, damit uns das meten Wirtanen nicht mehr möglich war. Bedingungen ziehen, unter denen es ent-
Wissen nicht abhandenkommt. Zehn Jahre Wir brauchten einen Kometen auf einer stand und auf die Verhältnisse, die damals
sind schon eine sehr lange Zeit. Es umfasst Bahn, die wir mit der Energie einer Ariane im Sonnennebel herrschten. Wir können
mehrere Generationen von Doktorierenden. 5 und mit einigen Erd- und Mars-vorbei- klären, ob mindestens ein Teil des irdischen
Niemand von den Wissenschaftlern ausser flügen in einem vernünftigen Zeitrahmen Wassers durch Einschläge von Kometen ge-
den Professorinnen mag sich noch an die erreichen konnten. Kometen bracht wurde und welche organischen Ma-
Zeit des Instrumentenbaus erinnern. Umso gibt es glücklicherweise relativ viele und terialien, die man in Kometen nachweisen
wichtiger sind unsere langjährigen Tech- «Chury» ist ein absolut gleichwertiges Ziel kann, eventuell die Bildung von Leben auf
niker, die an unserem Institut die Infra- wie der ursprüngliche Wirtanen – bis auf der Erde erst möglich gemacht haben.
struktur betreuen. Sie wissen um die Eigen- den unaussprechlichen Namen. Mit Kometenforschung machen wir
heiten der Sensoren, sie kennen die Tricks, also eine Reise zurück in die Urgeschichte
die es braucht, diese heiklen Instrumente Brachten Kometen unseres Sonnensystems und zum Ursprung
zu unterhalten. Mit viel Geduld weisen sie Wasser auf die Erde? des irdischen Lebens. Es ist Archäologie der
jeweils junge Doktorierende in die Geheim- Die erste Frage zu beantworten dauert et- Frühzeit, allerdings haben die Jahreszahlen
nisse der komplizierten Eichanlagen und was länger: Kometen stammen aus der bei dieser Art von Archäologie ein paar
der Handhabung der Experimente ein. Sie ganz frühen Zeit unseres Sonnensystems. Nullen mehr. Dies sind die zentralen Fragen,
sind somit absolut unentbehrlich für den Sie sind sozusagen die übriggebliebenen die an der Universität Bern seit mehr als
Erfolg einer solchen Mission. Klumpen in der Ursuppe unseres Sonnen- 40 Jahren mit Weltraumforschung unter-
nebels, aus dem die Sonne und alle sucht werden und die jetzt mit dem Center
Landung auf dem Kometen Planeten entstanden sind. Man nimmt an, for Space and Habitability auch auf Sterne
am 11. 11. 2014 dass die heutigen Kometen aus der Gegend und Planeten ausserhalb unseres Sonnen-
Jetzt rückt also das eigentliche Ziel, der von Uranus und Neptun stammen und nie systems ausgedehnt werden.
Komet Churyumov-Gerasimenko mit gerade nahe bei der Sonne waren. Durch die Gravi-
einmal vier Kilometern im Durchmesser, tation der grossen Planeten wurden sie ins Kontakt: Prof. Dr. Kathrin Altwegg, Physika-
immer näher. In einem Jahr werden die äussere Sonnensystem hinauskatapultiert, lisches Institut, Abteilung Weltraumforschung
ersten Bilder vom Kometen auf die Erde ähnlich wie mit einer Steinschleuder. Von und Planetologie, Center for Space and Habi-
gefunkt werden. Im September 2014 wird dort können sie durch Einflüsse der tabilty, kathrin.altwegg@space.unibe.ch
8 UniPress 157/2013 Mission WeltraumUniPress 157/2013 9
Wie Kollisionen Himmelskörper formen Kollisionen spielen bei der Entstehung und Ent- wicklung von Planeten, Asteroiden und Monden eine fundamentale Rolle. Mit Simulationen aufgrund der Daten von Weltraummissionen konnten Berner Astrophysiker etwa zeigen, dass unser Mond möglichweise vor langer Zeit mit einem zweiten, kleinen Mond kollidierte. Von Martin Jutzi Aus einer riesigen, kollabierenden Molekül- wolke bildete sich vor rund 4,5 Milliarden Jahren die Sonne, umkreist von einer so- genannten protoplanetaren Scheibe. In dieser Scheibe ballten sich Staubteilchen zu immer grösseren Klumpen zusammen. Diese kollidierten, aggregierten und wuchsen so zu immer grösseren Körpern heran: zuerst zu Protoplaneten und schluss- endlich zu Planeten. Während der ganzen Phase der Planetenentstehung spielen Kolli- sionen eine entscheidende Rolle. Allerdings führen Kollisionen zwischen zwei Körpern nicht zwangsläufig zu einem grösseren Objekt, sondern können auch zu einem Einschlagkrater oder – wie man das aus dem Alltag kennt – zu vielen kleinen Bruch- stücken führen. Entscheidend sind Kollisi- onsgeschwindigkeit, Aufprallwinkel sowie Grösse und Beschaffenheit der involvierten Objekte. Ein wichtiger «Klebstoff» stellt die Gravitation dar: Durch diese können sich grosse Objekte relativ einfach vereinigen. Letzte grosse Kollisionen prägen einen Planeten Auch am Ende der Entstehungsphase der Planeten spielen Kollisionen zwischen den nun schon fast fertigen Planeten (hier Eine Momentaufnahme aus der 3D-Simulation: Die Kollision des Asteroiden Vesta mit einem rund spricht man von «giant collisions») eine zehnmal kleineren Asteroiden jagt gigantische Massen von Material hoch. entscheidende Rolle. Die letzten dieser Kollisionen bestimmen nämlich viele Eigen- selwirkung mit den Planeten wurden viele zur Entstehung unseres Sonnensystems schaften der fertigen Planeten und deren aus dem Sonnensystem herausgeschleudert. (siehe Seite 7). Monde. So wird zum Beispiel die unge- Ein Teil davon aber schlug in die Planeten wöhnlich hohe Dichte des Planeten Merkur und Monde ein, was die heute noch Kollisionen im Labor und durch eine späte «giant collision» mit sichtbaren Krater bezeugen. Andere Klein- Simulationen am Computer einem Protoplaneten erklärt. Auch die Ent- körper haben zwar auch Kollisionen Einschläge und Kollisionen zwischen stehung des Erdmonds basiert auf einer erfahren, aber überlebt; dies sind die Himmelskörpern spielen also eine funda- solchen Kollision (möglicherweise ent- heutigen Asteroiden und Kometen. Diese mentale Rolle bei der Entstehung und standen dabei sogar zwei Monde). Körper haben ihre Zusammensetzung Entwicklung der Planeten und Kleinkörper In der Endphase der Planetenentstehung seither kaum verändert und stellen sozu- im Sonnensystem. Das Verständnis der befanden sich noch unzählige kleinere sagen das Rohmaterial der Planeten dar. Sie physikalischen Prozesse solcher Ereignisse Objekte im Sonnensystem. Durch die Wech- bergen deshalb unschätzbare Informationen ist deshalb von enormer Bedeutung. 10 UniPress 157/2013 Mission Weltraum
Bildung der beobachteten überlappenden
Krater führten. Diese überspannen
beinahe die ganze südliche Hemisphäre
von Vesta. Die Modellierungen zeigen
Grösse (rund 60 Kilometer Durchmesser),
Geschwindigkeit (rund 5 Kilometer pro
Sekunde) und Einschlagwinkel der Körper,
die mit Vesta kollidierten. Die Simulationen
können die von «Dawn» gemessene Form
und Topografie von Vestas südlicher Hemi-
sphäre gut reproduzieren. Sie können
deshalb dazu benutzt werden, um Informa-
tionen über bisher verborgene Eigen-
schaften von Vesta zu gewinnen. So ver-
raten die Simulationen zum Beispiel, dass
das von den Einschlägen ausgeworfene
Material aus Tiefen von bis zu 100 Kilo-
metern stammt. Dies erlaubt erstmals,
Rückschlüsse über die inneren Strukturen
von Vesta zu ziehen.
Gab es einen zweiten Erdmond?
Bereits seit über 50 Jahren ist der Erdmond
Ziel von Weltraummissionen. Seit den
ersten Sowjet- und NASA-Missionen, die
Der Mond kollidiert mit einem zweiten, kleinen Mond. Die Computersimulation zeigt, dass es erstmals Bilder aus einem Mondorbit
mehrere Stunden gedauert haben muss, bis der kleine Mond als dicke Kruste auf der einen Seite lieferten, hat sich das Datenmaterial ver-
des grossen Monds zurückblieb.
vielfacht. Diese Daten sind wichtige Grund-
lagen für die Theorien zur Entstehung und
In der Abteilung für Weltraumforschung Die folgenden zwei aktuellen Beispiele Entwicklung des Mondes. Es wurden auch
und Planetologie der Universität Bern wur- von solchen Studien konnten kürzlich im einige merkwürdige Eigenschaften des
den in den vergangenen 15 Jahren nume- Fachjournal «Nature» publiziert werden. Mondes entdeckt: etwa die Gegensätzlich-
rische Modelle entwickelt, welche die physi- keit seiner Topografie zwischen der
kalischen Prozesse einer Kollision nach- Asteroid Vesta – kleiner Planet erdzu- und erdabgewandten Seite. Die
bilden (simulieren). In einer Simulation einer mit riesigen Kratern Vorderseite ist eher flach und wird von
Kollision werden die Differentialgleichun- Einem Asteroid namens Vesta gilt in der dunklen Ebenen vulkanischen Ursprungs
gen, welche die involvierten physikalischen Weltraumforschung besondere Aufmerk- dominiert, die Rückseite ist geprägt von
Prozesse beschreiben, durch numerische samkeit: Mit seinen rund 500 Kilometern hohem Gebirge und tiefen Kratern. Zudem
Integrationsmethoden mit Hilfe von Com- Durchmesser gehört er zu den drei grössten ist die Mondkruste auf der Rückseite
putern gelöst. Diese theoretischen Modelle Asteroiden und wird als Protoplanet wesentlich dicker als auf der Vorderseite.
werden getestet, indem sie beispielsweise betrachtet. Zudem ist er der einzige Die Ursache dieser Asymmetrie ist
mit Einschlagexperimenten im Labor ver- bekannte Asteroid, der eine erdähnliche umstritten. In Zusammenarbeit mit
glichen werden. Experimentell können Ge- Struktur aufweist – mit einem Kern, einem Forschenden aus Kalifornien wurde kürzlich
schwindigkeiten bis zu etwa 10 Kilometern Mantel und einer Kruste. Vesta befindet in Bern eine neue mögliche Erklärung
pro Sekunde erreicht werden; es können sich im Asteroidengürtel zwischen den für die Ungleichheit der beiden Seiten
aber natürlich nur Kollisionen zwischen re- Umlaufbahnen von Mars und Jupiter. unseres Trabanten erarbeitet: Demnach ist
lativ kleinen Objekten untersucht werden. Vesta wurde mit dem Weltraumteleskop ein kleinerer, zweiter Mond rund 100 Milli-
Die theoretischen Modelle hingegen kön- «Hubble» intensiv beobachtet, kürzlich onen Jahre nach der Entstehung des Erde-
nen auf allen Skalen angewendet werden von der Raumsonde «Dawn» der NASA Mond-Systems mit dem heutigen Erd-
und ermöglichen es, Kollisionen zwischen besucht und zwischen 2011 und 2012 ein trabanten kollidiert. Mit Hilfe von
Himmelskörpern (also z. B. Planeten, Jahr lang umkreist. Bilder im optischen Computersimulationen konnte gezeigt
Monden oder Asteroiden) zu untersuchen. Bereich sowie weitere Messdaten lieferten werden, dass diese relativ langsame Kolli-
Wenn man nun diese theoretischen Informationen über die Topografie des sion nicht zu einer grossen Zerstörung
Modellrechnungen von Kollisionsprozessen Asteroiden sowie über die Zusammen- (Krater) führte, sondern dass sich der kleine
mit Beobachtungen von Planeten oder setzung der Mineralien, die an seiner Ober- Mond auf einer Seite des Mondes (der
Asteroiden kombiniert, erlaubt dies Rück- fläche sichtbar sind. Dabei zeigte sich unter heutigen Rückseite) anlagerte. Dieses
schlüsse auf die Eigenschaften und die Ent- anderem, dass die schon von Hubble Szenario könnte die Entstehung der dicken
wicklung der untersuchten Himmelskörper. beobachtete riesige Vertiefung am Südpol Kruste und des Hochlands auf der Mond-
Dank Fernbeobachtung und vor allem dank aus zwei riesigen, teilweise überlappenden rückseite erklären.
den Weltraummissionen der letzten Jahr- Kratern besteht.
zehnte steht dafür eine immer grössere Von diesen Informationen ausgehend, Kontakt: Dr. Martin Jutzi, Oberassistent am
Menge an wertvollen Daten zur Verfügung wurde an der Universität Bern mit drei- Center for Space and Habitability,
(etwa Informationen über die Topografie, dimensionalen Computersimulationen Physikalisches Institut, Abteilung für Welt-
Oberflächenzusammensetzung, Dichte oder gezeigt, wie zwei nacheinander erfolgte raumforschung und Planetologie,
die Einschlagkraterverteilung). Einschläge von Himmelskörpern genau zur martin.jutzi@space.unibe.ch
Mission Weltraum UniPress 157/2013 1112 UniPress 157/2013
Wie LUCA, die Urzelle des Lebens,
enstand
Alle Lebewesen der Erde stammen von einer
gemeinsamen Urzelle ab. Doch unter
welchen Bedingungen entwickelt sich tote
Materie zu Leben? Mit Antworten auf diese
Frage unterstützen Biochemiker die Suche nach
ausserirdischem Leben.
Von Oliver Mühlemann
Woher kommen wir? Wie ist das Leben tionen in allen drei Domänen des Lebens
entstanden? Plausible Antworten auf diese (Archaeen, Bakterien und Eukaryonten)
für unser Selbstverständnis und unsere dieselben sind.
Weltanschauung so zentralen Fragen haben
während der letzten 200 Jahre vor allem Stammt LUCA von der Erde
die Naturwissenschaften geliefert – allen oder aus dem All?
voran Charles Darwin mit seiner einfachen, In 3,5 Milliarden Jahren alten Sedimenten
eleganten und x-tausendfach bestätigten haben Geologen Ablagerungen gefunden,
Evolutionstheorie. Sie erklärt schlüssig, wie die von Cyanobakterien ähnlichen Organis-
sich die heutige Vielfalt an Lebewesen aus men stammen: Dies deutet darauf hin, dass
gemeinsamen, identischen Urzellen ent- es bereits damals einzellige Lebensformen
wickelte: Durch einen sich wiederholenden gab, die wahrscheinlich Photosynthese
Prozess von kleinen Veränderungen in betrieben. Das ist bemerkenswert früh in
einigen Nachkommen dieser Urzellen, bei der Erdgeschichte, wenn man sich ver-
welchem jeweils diejenigen Formen über- gegenwärtigt, dass die Erde sich vor etwa
lebten, die sich in ihrer Umgebung am 4,6 Milliarden Jahren aus einer glühenden
besten vermehren konnten. Gaskugel zu bilden begann. Erst vor rund
Noch weit weniger klar ist hingegen, wie 4 Milliarden Jahren war diese genügend Meteoriten brachten vor rund vier Milliarden
Jahren anderswo entstandene organische Mole-
diese Urzelle entstand, die in der Fachwelt abgekühlt, dass sich auf der Oberfläche küle auf die Erde; im Bild ein Stück des 1969 in
LUCA heisst: «Last Universal Common eine feste Kruste bildete und schliesslich Autralien gelandeten «Murchinson-Meteoriten».
Ancestor», also «letzter gemeinsamer
Vorfahre». Diskutiert werden mehrere
Szenarien. Ich beschreibe hier jenes, das
gegenwärtig unter den Experten den
grössten Konsens geniesst.
Bevor wir aber über den Ursprung des
Lebens diskutieren können, müssen wir
definieren, was wir mit «Leben» überhaupt
meinen. Lebende Materie (z. B. Bäume,
Bakterien oder Menschen) unterscheidet
sich von abiotischer Materie (z. B. Mine-
ralien, Wasser, Luft) dadurch, dass sie sich
selber replizieren kann. Dies setzt erstens
ein Genom voraus (also ein Informations-
speichersystem) und zweitens einen Stoff-
wechsel. Dafür muss sich diese minimale
Lebenseinheit von der Umgebung, mit der
sie Stoffe austauscht, abgrenzen, was in
allen uns bekannten Lebensformen durch
eine sogenannte Lipidmembran geschieht.
Sobald wir ein solches selbstreplizierendes
System haben – und sei es auch noch so
primitiv –, setzt die oben beschriebene
darwinsche Evolution ein. Doch warum sind
wir Naturwissenschaftler eigentlich so
sicher, dass alles heute bekannte Leben
einen gemeinsamen Ursprung hat? Weil die
zentralen Moleküle des Lebens, der gene- Gleichzeitig entstanden beispielsweise bei Unterwasser-Vulkanausbrüchen auch auf der Erde orga-
tische Code und die chemischen Reak- nische Moleküle.
Mission Weltraum UniPress 157/2013 1314 UniPress 157/2013
das Wasser kondensieren konnte, das Biomoleküle entstehen spontan Verbindungen vor rund 4 Milliarden Jahren
während der darauffolgenden 200 Milli- und vielerorts während des 200 Millionen Jahre andau-
onen Jahre durch unzählige Meteoriten- Für die Frage, wie aus abiotischen chemi- ernden intensiven Meteoriten-Bombarde-
einschläge auf die Erde transportiert wurde. schen Reaktionen LUCA entstanden sein ments zur Erde kamen.
Somit waren die Umweltbedingungen, könnte, spielt es nur eine untergeordnete
die Leben auf der jungen Erde ermöglich- Rolle, ob dieser Vorgang auf der Erde oder Biomoleküle verketten sich
ten, erst vor 3,8 bis maximal 4 Milliarden anderswo stattgefunden hat. Erste experi- zu RNA-Makromolekülen
Jahren gegeben – und nach geologischen mentelle Hinweise zur möglichen Ent- Diese einzelnen Lebensbausteine lagerten
Zeitmassstäben bereits «kurz» danach gab stehung von LUCA haben Stanley Miller sich in der Folge an Oberflächen von
es auf der Erde einzellige Organismen. und Harold Urey in den 1950er Jahren mit Tonmineralien an, wodurch sich ebenfalls
Dies lässt zwei verschiedene Interpreta- ihrem inzwischen weltberühmten spontan erste Makromoleküle bilden
tionen zu: Entweder konnte LUCA relativ «Ursuppen»-Experiment geliefert. Dabei konnten. In Laborversuchen konnten
rasch hier auf der Erde aus vorhandenen simulierten sie in einem geschlossenen beispielsweise an der Oberfläche von Mont-
organischen Verbindungen entstehen. System im Labor die Bedingungen, die morillonit (Lavaerde) aus aktivierten Ribo-
Oder LUCA entstand bereits früher wo- wahrscheinlich vor 4 Milliarden Jahren auf nukleotiden, den Bausteinen für Ribo-
anders im Universum und ist mit einem der Erde herrschten: Wasser (H2O) und eine nukleinsäuren (RNA), Ketten mit bis zu
Meteoriten hierher gekommen. Die zweite reduzierende Atmosphäre bestehend aus 50 Nukleotiden polymerisiert werden. RNA
Interpretation hatte in den 1960er Jahren Wasserstoff (H2), Schwefelwasserstoff (H2S), ist diejenige Makromolekülsorte, die bei der
viele Anhänger, weil man damals davon Ammoniak (NH3), Kohlenmonoxid (CO) und Entstehung des Lebens wahrscheinlich die
ausging, dass die Entstehung von LUCA Stickstoff (N2). Um die damalige andauern- Schlüsselrolle gespielt hat: Denn diese
ein extrem unwahrscheinliches Ereignis de Vulkantätigkeit und die gewaltigen linearen Ketten aus vier verschiedenen,
gewesen sein müsse, da viele verschiedene Gewitterstürme zu simulieren, wurde das durch Phosphodiester verknüpften Ribo-
zufällige Prozesse gleichzeitig am gleichen Wasser in einem Kreislauf verdampft und nukleosiden (Adenosin, Guanosin, Uridin
Ort hätten stattfinden müssen. Demnach wieder kondensiert, und mittels Elektroden und Cytidin) können sowohl genetische
sei es wahrscheinlicher, dass dies früher wurden in der Gasphase Blitze erzeugt. Information speichern als auch als Enzyme
woanders im Universum geschehen sei als Nachdem Miller und Urey ihr Experiment funktionieren. In allen heutigen Lebewesen
in einem Zeitfenster von nur 300 Millionen eine Weile laufen gelassen hatten, analy- hat die chemisch sehr ähnliche, aber
Jahren auf der Erde. sierten sie ihre Ursuppe und fanden darin stabilere Desoxyribonukleinsäure (DNA) die
Heute überwiegt die Meinung, dass die eine Vielzahl von organischen Molekülen, Funktion als Speicher der genetischen
Entstehung von Leben wenig mit einem unter ihnen viele Bausteine der drei für alle Information übernommen, nur einige Viren
glücklichen Zufall zu tun hat, sondern auf- heutigen Organismen zentralen Makro- haben auch heute noch ein RNA-Genom
grund der chemischen und physikalischen molekülsorten (Nukleinsäuren, Proteine (z. B. HIV und das Grippevirus). Die enzyma-
Eigenschaften der Materie unweigerlich und Lipide). tischen Aktivitäten werden in heutigen
geschieht, sobald erstens flüssiges Wasser, Das Ursuppenexperiment stützt somit Zellen grösstenteils von Proteinen abge-
zweitens eine Reihe von organischen Mole- die Hypothese, dass sich auf der frühen deckt, aber einige ganz alte und zentrale
külen und drittens anorganische Ober- Erde spontan die zentralen Bausteine des enzymatische Reaktionen wie etwa die
flächen wie etwa Lehm vorhanden sind, die Lebens (Aminosäuren, Fettsäuren, Purine Proteinsynthese werden auch heute noch
als Katalysatoren chemische Reaktionen und Zucker) aus einfachen anorganischen durch RNA katalysiert, was ebenfalls
begünstigen. Auf dieser heutigen Sicht- Verbindungen bilden konnten. Ob dies nun darauf hindeutet, dass LUCA und seine
weise gründet auch die Hypothese, dass eher bei Unterwasservulkanausbrüchen ersten Nachkommen RNA-Enzyme (soge-
Leben mehrfach im Weltall entstanden sein oder in langsam austrocknenden seichten nannte Ribozyme) und noch keine
muss und immer wieder entsteht. Am Lagunen geschah, macht keinen wesent- Proteinenzyme hatten.
Center for Space and Habitability (CSH) der lichen Unterschied. Zudem zeigen chemi-
Universität Bern sucht man deshalb gezielt sche Analysen von Meteoriten, dass diese RNA-Moleküle kopieren sich selbst
mit spektroskopischen Methoden nach ebenfalls viele organischen Moleküle bein- Das klassische «Huhn-Ei»-Problem der
Signaturen von Leben (z. B. einer sauer- halten. Das belegt erstens, dass diese Mole- Genomreplikation, nämlich dass die Repli-
stoffhaltigen Atmosphäre) bei Exoplaneten, küle auch andernorts im Universum ent- kation des Genoms ein Enzym benötigt, das
die sich in der sogenannten «habitablen stehen, und deutet zweitens darauf hin, im Genom selber kodiert sein muss, wird
Zone» befinden (siehe Seite 23). dass ein beträchtlicher Teil der organischen durch RNA mit seiner Doppelfunktion als
Mission Weltraum UniPress 157/2013 15Informationsspeicher und Enzym auf einer solchen Lipiddoppelmembran um- Die aufmerksame Leserin hat es wohl
elegante Weise gelöst. Man kann sich also geben war. Die dazu nötigen Fettsäuren erkannt: Wir haben nun bereits eine
das einfachste selbstreplizierende System wurden auf der jungen Erde durch Vulkan- Urzellenpopulation, die sich nach dem
als ein RNA-Molekül denken, das die Fähig- tätigkeit gebildet oder durch Meteoriten klassischen darwinschen Evolutions-
keit hat, aus Ribonukleotiden eine Kopie aus dem All gebracht. mechanismus immer weiter entwickeln
von sich selbst zu synthetisieren. Verschie- Da die Fettsäuren nicht wasserlöslich kann. Ein paar dieser veränderten Kopien
dene Experimente haben die Hypothese, sind, bilden sie eine Schicht auf der Wasser- konnten plötzlich nicht nur sich selber
dass Leben mit RNA-basierten Systemen oberfläche von der Dicke eines Moleküls, kopieren, sondern auch andere RNA-Mole-
begonnen habe, in den letzten Jahren aus der sich durch Bewegung des Wassers küle, die sich zufälligerweise in derselben
gestützt, so dass diese Theorie in der Fach- (z. B. durch Rühren im Labor oder durch Mizelle befanden, was ungeahnte neue
welt heute breit akzeptiert ist. einen Geysirausbruch auf der jungen Erde) Entwicklungsmöglichkeiten eröffnete.
Zu unserer eingangs erwähnten Defini- wassergefüllte Kügelchen mit einer aus Spätestens ab diesem Zeitpunkt war die
tion von «Leben» gehört aber nebst der Fettsäuren gebildeten Doppelmembran- Entwicklung von immer komplexeren Zellen
Fähigkeit zur Selbstreplikation auch noch Hülle bilden. Wenn nun solche soge- in vollem Gang.
ein Stoffwechsel. Deshalb würden wir eine nannten Mizellen zufälligerweise ein oder
sich selbst replizierende RNA noch nicht als mehrere RNA-Moleküle mit einer enzyma- LUCA setzt sich durch
Lebewesen anerkennen, und aus dem- tischen Funktion enthalten, haben wir eine Man kann es kaum genug hervorheben:
selben Grund gelten Viren auch nicht als Urzelle mit einem Stoffwechsel. Das hier beschriebene Szenarium ist keine
lebendig. Die wichtige Erkenntnis ist hier, Aneinanderreihung vieler höchst unwahr-
dass die Grenze von dem, was wir als Überall füllen sich Tümpel scheinlicher Ereignisse, sondern hat sich auf
lebendig bezeichnen, willkürlich und von mit Leben der jungen Erde wahrscheinlich tausend-
unserer Definition des Begriffs «Leben» Mizellen sind dynamische Gebilde: Sie wenn nicht millionenfach abgespielt und
abhängig ist, dass aber der Übergang von können durch Einlagerung zusätzlicher Fett- spielt sich auch jetzt immer noch überall im
abiotischen Prozessen zu ersten Urzellen säuren wachsen. Zwei Mizellen, die zu- Universum ab, wo die Bedingungen für die
eine graduelle Entwicklung darstellt. sammenstossen, können zu einer grossen beschriebenen chemischen Prozesse
Mizelle fusionieren, wobei ihre Inhalte gegeben sind (auch auf der Erde). Aber ab
Molekül landet in Wasserkügelchen gemischt werden. Und wenn eine Mizelle einem bestimmten Zeitpunkt war eine
mit Fettsäurenhülle eine gewisse Grösse erreicht hat, bei der dieser Urzellenpopulationen so erfolgreich,
Ein Stoffwechsel bedingt, wie bereits die Oberflächenspannung der Membran zu dass sie alle anderen anfänglich noch
erwähnt, die Abgrenzung unserer ent- gross wird, dann teilt sie sich spontan in existierenden, aber etwas weniger fitten
stehenden Urzelle von der Umwelt. Erst kleinere Mizellen auf. Populationen verdrängt hatte und auch
eine Barriere, die einen von der Umwelt Es braucht jetzt nicht mehr viel Fantasie, sich immer wieder neu entwickelndes
abgetrennten Innenraum schafft und somit um sich vorzustellen, wie vor fast 4 Milliar- Leben gegen diese bereits weiterent-
die freie Diffusion von Molekülen ver- den Jahren in einem Tümpel mit genügend wickelten Zellen keine Chance mehr hatte.
hindert, ermöglicht die lokale Anreicherung Fettsäuren und Ribonukleotiden eine sich Diese erfolgreiche Population war LUCA,
und Abreicherung von verschiedenen Stoff- selbstreplizierende RNA in einer Mizelle der gemeinsame Vorfahre allen uns
wechselprodukten. Damit haben wir die landete, sich dort drin vermehrte und durch bekannten Lebens.
Zelle als Grundeinheit des Lebens definiert. fortlaufende Teilung der Mizellen der
Da alle heutigen Zellen sich von der Tümpel sich schliesslich mit immer mehr Kontakt: Prof. Dr. Oliver Mühlemann,
Umwelt durch eine Doppelmembran aus Mizellen mit selbstreplizierenden RNA- Departement für Chemie und Biochemie,
wasserabstossenden Fettsäuren mit gegen Molekülen füllte. Die Replikation der RNA Mitglied im wissenschaftlichen Ausschuss des
aussen und innen gerichteten wasser- war nicht sehr genau und es passierten bei Center for Space and Habitability,
löslichen Kopfgruppen abgrenzen, können vielen Kopiervorgängen immer wieder klei- oliver.muehlemann@dcb.unibe.ch
wir davon ausgehen, dass auch LUCA von nere Veränderungen in der RNA-Sequenz.
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18 UniPress 157/2013
Auf den Spuren von flüssigem Wasser
Einst gab es auf dem Mars so viel Wasser, dass
sich ganze Tal-Netzwerke bildeten. Heute versteckt
es sich als Eisschicht an den Polen und im
Boden. Doch nun deuten Versuche von Berner
Forschern darauf hin, dass an gewissen Stellen
noch immer Wasser auf der Oberfläche fliesst.
Enthält es gar Leben?
Von Nicolas Thomas und Antoine Pommerol
Leonardo da Vinci soll einst gesagt haben:
«Wasser ist die treibende Kraft der ganzen
Natur.» Leben kann gemäss heutigem
Wissen unter den folgenden vier Voraus-
setzungen entstehen und sich entwickeln:
Erstens müssen die notwendigen chemi-
schen Bausteine zur Verfügung stehen.
Zweitens braucht es ein flüssiges Medium,
das diese transportiert. Drittens muss
Energie zur Verfügung stehen, die das
Medium flüssig hält und Bewegungen
sowie chemische Reaktionen fördert.
Schliesslich muss das Umwelt-System für
einen längeren Zeitraum stabil sein – mögli-
cherweise für Hunderte von Millionen
Jahren (siehe dazu Seite 13). Das erste
«flüssige Medium», das einem in den Sinn
kommt, ist Wasser. Dies entspringt unserer
Erfahrung auf der Erde, aber Wasser ist
auch anderswo in unserem Sonnensystem
verbreitet. Es ist in einem weiten Tempera-
turbereich flüssig. Es ist ein ziemlich stabiles
Molekül, aber gleichzeitig ist es polar – das
hilft, andere chemische Stoffe aufzulösen:
eine nützliche Eigenschaft. Wasser ist also
ein ideales flüssiges Medium für Leben.
Die Erde erfüllt offensichtlich alle vier
Anforderungen für Leben – aber wohl nicht
nur sie: Es ist praktisch bewiesen, dass der
Jupitermond «Europa» die Bedingungen
zurzeit ebenfalls erfüllt; auch hier ist das Die dunklen Spuren an Steilhängen auf dem Mars könnten von flüssigem Salzwasser stammen.
flüssige Medium Wasser. Der Saturnmond
«Enceladus» ist ein weiterer Kandidat. Der
grösste Saturnmond «Titan» erfüllt die «Mars Global Surveyor» (1996), bestätigten flächentemperaturen an den Polen deutlich
Kriterien ebenfalls – doch in diesem Fall die Existenz von Tal-Netzwerken und unter dem Gefrierpunkt, so dass dieses Eis
handelt es sich bei der Flüssigkeit um tropfenförmige Inseln, die möglicherweise unter den heutigen Bedingungen nicht
Methan. Und was ist mit unserem Nachbar- durch Überschwemmungen gebildet schmelzen kann.
planeten Mars? wurden. Aber welche Flüssigkeit war
dafür verantwortlich – und wo ist sie hin? Marsboden ist voller Wasser
Einst gab es Flüsse und Inseln Heute ist bekannt, dass an den Mars- Deshalb war die Überraschung und auch
Seit der «Mariner 9»-Mission in den frühen Polen Wassereis vorhanden ist. Am Nordpol die Freude gross, als die Neutronen-Spek-
1970er Jahren ist bekannt, dass die Ober- bildet es eine drei Kilometer dicke Ab- trometer der «Mars Odyssey»-Sonde grosse
fläche des roten Planeten irgendwann in lagerung, die jeden Marswinter von einer Mengen von unterirdischem Wasserstoff
der Vergangenheit durch Ströme von temporären Schicht aus CO2-Eis überdeckt nachweisen konnten, von dem auf Wasser
Flüssigkeit erodiert wurde. Spätere Abbil- wird. Aber diese Wassermengen reichen geschlossen werden kann. Dieses Wasser,
dungen, aufgenommen mit hochauf- wahrscheinlich nicht aus, um die beobach- das sich aufgrund der verwendeten Technik
lösenden Kameras auf den «Viking»- tete Morphologie der Planetenoberfläche im ersten Meter der Oberflächenschicht
Missionen (Ende der 1970er Jahre) und zu erklären. Ausserdem liegen die Ober- befinden muss, ist über den grössten Teil
Mission Weltraum UniPress 157/2013 19des Planeten verteilt. Diese Erkenntnis steht Wasser ist also auf weiten Teilen der dass sie den Gefrierpunkt von Wasser
im Einklang mit den Mustern vieler Krater- Mars-Oberfläche vorhanden – und das in senken und die Helligkeit der beobachteten
auswürfe, die auf Meteoriten-Einschläge in teilweise überraschend reiner Form. Aber Oberflächen beeinflussen. Dies würde auch
eine volatile Oberfläche schliessen lassen. wird flüssiges Wasser nur durch Meteo- erklären, warum Flüssigkeit gebildet wird,
Dies ist insbesondere deshalb interessant, riteneinschläge erzeugt? Wahrscheinlich obwohl die Temperatur an den Standorten,
weil Wasser auch rund um den Äquator nicht. Wir haben unterdessen Hinweise wo RSL am häufigsten auftreten, unter dem
vorkommt, wo die Temperatur an der darauf, dass flüssiges Wasser auch heute Gefrierpunkt liegt.
Marsoberfläche im Sommer tagsüber über noch regelmässig auf der Oberfläche des
den Gefrierpunkt steigt. Aber welche Form Mars auftritt – man muss nur an der rich- Gibt es auch Leben?
hat dieses Wasser? tigen Stelle suchen! Als Wissenschaftler sind wir grundsätzlich
Die jüngsten Missionen zum Mars waren HiRISE hat eine Reihe von flüchtigen «Nicht-Gläubige»! Trotzdem werden wir
mit Bildgebungs-Spektrometern ausge- Spuren beobachtet, die sich im Laufe der unsere fotometrischen Experimente auf
rüstet, die hoch aufgelöste Bilder im infra- Jahreszeiten verändern. Sie sind sehr weitere abiotische und auf biotische or-
roten wie im sichtbaren Bereich lieferten. schmal (50 Zentimeter bis 5 Meter breit) ganische Stoffe ausweiten. Denn falls
Diese zeigen, dass viele Gebiete auf dem und befinden sich an steilen Südhängen am die Wasserflüsse, die wir auf dem Mars
Mars (einschliesslich des Landeplatzes des Äquator (bis zum 25. Breitengrad). Sie gesehen haben, etwas Lebendiges
aktuellen «Curiosity Rover») reich an bilden sich im späten Frühjahr, wachsen im enthalten, wollen wir wenn immer möglich
wasserhaltigen Tonerden sind, die früh in Sommer und verschwinden im Winter, in der Lage sein, dies zu erkennen. Und
der Geschichte des Mars gebildet wurden. wobei sie manchmal eine etwas hellere selbst wenn Mars tot ist: Wir werden in
Zudem haben bildgebende Verfahren kürz- Fläche hinterlassen. Sie sind dünn, können absehbarer Zukunft keine Oberfläche eines
lich gezeigt, dass relativ reines Wassereis in aber Hunderte von Metern lang sein. An anderen Objekts besuchen – weder in die-
einigen Bereichen auch unmittelbar unter einem Standort können Dutzende dieser sem Sonnensystem noch in einem anderen.
der Oberfläche vorhanden sein muss. dunklen Markierungen auftreten. Sie Somit bleiben als einzige Möglichkeiten,
erscheinen jedes Frühjahr an den gleichen ausseridisches Leben zu finden, foto-
Wasser auch auf der Oberfläche Stellen, sobald die Temperaturen etwa metrische und spektroskopische Mittel.
Das «High Resolution Imaging Science minus 20 Grad Celsius erreichen. Die Im August 2010 wählten die NASA und
Experiment» (HiRISE) ist im Grunde eine logischste Erklärung ist, dass diese Markie- ESA die Instrumente für eine neue Mission
Spion-Kamera, die den Mars umkreist. Sie rungen – bekannt unter dem eher tech- zum Mars aus, genannt «ExoMars Trace
kann 50 Zentimeter grosse Objekte aus nischen Namen «Recurring Slope Lineae» Gas Orbiter» (TGO). Eines der ausge-
250 Kilometern Höhe in Farbe und mit ein (RSL) – Spuren von flüssigem Wasser aus wählten Instrumente ist eine hochauf-
paar Tricks auch dreidimensional abbilden. salzigen Schmelzwasser-Quellen sind. lösende Stereo-Farbkamera unter der
Sie ist auf der NASA-Sonde «Mars Re- Leitung der University of Arizona mit der
connaissance Orbiter» (MRO) montiert. Die Laborversuche mit simulierter Universität Bern als wichtiger Partnerin. Sie
Universität Bern ist das einzige europäische Mars-Oberfläche sollte dynamische Prozesse auf der Ober-
Forschungsinstitut im HiRISE Team. Das Team der Uni Bern ist an diesen fläche des Planeten sowie das entdeckte
Wie die Erde wird auch der Mars häufig Studien stark beteiligt. Wir haben mit flüssige Wasser und das Oberflächeneis
von Meteoriten getroffen. Dies ermöglicht unserem Fotogoniometer-Experiment weiter untersuchen. Anfang 2012 zog aller-
uns, die durch die Einschläge verletzte (PHIRE-2) die Reflexionseigenschaften von dings die NASA die Finanzierung für all
Oberflächenschicht des roten Planeten zu diversen wasserbenetzten Oberflächen seine Instrumente auf TGO zurück und die
untersuchen. HiRISE hat mehrere frische gemessen, wie sie auf dem Mars vor- Universität Bern wurde gebeten, die
Einschläge beobachtet und dabei etwas kommen. Die dafür verwendeten Stoffe mit Führung des Projekts zu übernehmen.
Bemerkenswertes entdeckt: Die Innenräume ähnlichen Eigenschaften wie Mars-Böden Das bildgebende System, das so
dieser frischen Krater sind insbesondere auf stammen meist aus Hawaii. Wir vergleichen genannte «CaSSIS» (Colour and Stereo
der Nordhalbkugel flach und, im Vergleich die Resultate mit den Messungen der Surface Imaging System), wird nun in
zum Rest der Oberfläche, relativ blau. In HiRISE-Kamera. Zusammenarbeit mit der italienischen
einigen Fällen ist eine helle weisse Ablage- Seit Kurzem setzen wir auch eine Raumfahrtagentur entwickelt und soll im
rung um den Kraterrand sichtbar. Beobach- Infrarot-Kamera ein, um einem grossen März 2016 starten. Eines der Hauptziele
tungen mit Infrarot-Spektrometern zeigen, Rätsel auf die Spur zu kommen: Während von CaSSIS wird sein, RSL und andere dyna-
dass es sich dabei um Wassereis handelt. die RSL alle Eigenschaften von flüssigem mische Phänomene im Zusammenhang mit
Daraufhin haben wir in Bern diese Mete- Wasser zu haben scheinen, hat das Infrarot- Wasser auf der Oberfläche des Roten
oriten-Einschläge am Computer simuliert – Spektrometer «CRISM» an Bord der MRO Planeten zu untersuchen.
mit interessanten Ergebnissen: Es stellte bisher keine der Infrarot-Absorbtionseigen-
sich heraus, dass deren Druck ausreicht, um schaften zeigen können, die man von einer Weitere Informationen: Mars Reconnais-
den Zustand des Wassers von «fest» in nassen Oberfläche erwarten würde. Dies ist sance Orbiter: http://mars.jpl.nasa.gov/mro;
«flüssig» zu verändern. Mit anderen Wor- natürlich eine Herausforderung für unsere HiRISE: http://hirise.lpl.arizona.edu;
ten wird bei einem Meteoriten-Einschlag Theorie. Allerdings beobachten wir derzeit CRISM: http://crism.jhuapl.edu
relativ reines flüssiges Wasser erzeugt, das im Labor, dass simulierte Mars-Oberflächen,
sich für kurze Zeit – typischerweise mehrere die benetzt waren und dann wieder trock- Kontakte: Prof. Dr. Nicolas Thomas,
Tage – auf der Oberfläche befindet. Je neten, leicht veränderte lichttechnische nicolas.thomas@space.unibe.ch;
grösser ein Einschlag, desto grösser ist das Eigenschaften aufweisen können. Darüber Dr. Antoine Pommerol,
entstehende Gewässer und desto länger hinaus scheint die Anwesenheit von Salzen antoine.pommerol@space.unibe.ch
bleibt es erhalten, bevor es einfriert und/ von entscheidender Bedeutung zu sein. Beide sind am Physikalischen Institut,
oder verdampft. Die beobachteten flachen, Wir wissen unterdessen, dass auf dem Abteilung Weltraumforschung und
relativ blauen Krater-Innenräume entstehen Mars Chloride und Sulfatsalze existieren – Planetologie (WP) sowie am Center for Space
durch das Gefrieren der Flüssigkeit. und diese Chemikalien sind bekannt dafür, and Habitabilty (CSH) tätig.
20 UniPress 157/2013 Mission WeltraumSie können auch lesen
