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NACHWEIS VON LEBEN
Biosignatur aus dem Hubschrauber gemessen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bern 
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21. Juni 2021

Wie lässt die Existenz von Leben auf anderen Welten nachweisen und dies am am besten aus der Ferne? Forschende beschäftigen sich seit Jahren mit dieser Frage und nutzen dazu die Erde als Versuchsobjekt. Nun ist es ihnen gelungen, aus einem mehrere Kilometer über dem Boden fliegenden Hubschrauber eine zentrale molekulare Eigenschaft aller Lebewesen zu messen.

FlyPol

Das FlyPol-Instrument, mit dem Biosignaturen aus der Luft gemessen werden konnten, an Bord des Helikopters. Bild: zvg Lucas Patty [Großansicht]

 Linke Hände und rechte Hände sind nahezu perfekte Spiegelbilder voneinander. Aber egal, wie sie gedreht und gewendet werden, sie lassen sich nicht deckungsgleich übereinander legen. Deshalb passt der linke Handschuh einfach nicht so gut auf die rechte Hand wie auf die linke. In der Wissenschaft wird diese Eigenschaft als "Chiralität" bezeichnet. Genau wie Hände chiral sind, können auch Moleküle chiral sein. Tatsächlich sind die meisten Moleküle in den Zellen lebender Organismen, wie zum Beispiel die DNA, chiral. Doch anders als Hände, die meist in Paaren von links und rechts vorkommen, kommen die Moleküle des Lebens fast ausschließlich entweder in ihrer "linkshändigen" oder ihrer "rechtshändigen" Version vor. Sie sind homochiral, wie Forschende sagen. Warum das so ist, ist noch unklar.

Diese molekulare Homochiralität ist jedoch eine charakteristische Eigenschaft des Lebens, eine sogenannte Biosignatur. Im Rahmen des Projekts MERMOZ ist es einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung des Nationalen Forschungsschwerpunkts NFS PlanetS und des Center for Space and Habitabilty CSH der Universität Bern und der Universität Genf nun gelungen, diese Signatur aus zwei Kilometern Entfernung und bei einer Geschwindigkeit von 70 Kilometern pro Stunde nachzuweisen.

"Der bedeutende Fortschritt ist, dass diese Messungen auf einer Plattform durchgeführt wurden, die sich bewegte und vibrierte, und dass wir diese Biosignaturen trotzdem innerhalb von Sekunden nachweisen konnten", freut sich Jonas Kühn, MERMOZ-Projektmanager vom CSH der Universität Bern. Lucas Patty, MERMOZ-Postdoktorand an der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS erläutert das Verfahren: "Wenn Licht von biologischer Materie reflektiert wird, bewegt sich ein Teil der elektromagnetischen Wellen des Lichts entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn spiralförmig. Dieses Phänomen wird zirkulare Polarisation genannt und wird durch die Homochiralität der biologischen Materie verursacht. Ähnliche Lichtspiralen werden von der abiotischen, nicht lebenden Natur nicht erzeugt."

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Diese zirkulare Polarisation zu messen, ist jedoch eine Herausforderung. Das Signal ist recht schwach und macht normalerweise weniger als ein Prozent des reflektierten Lichts aus. Um es zu messen, entwickelte das Team ein spezielles Instrument, ein sogenanntes Spektropolarimeter. Es besteht aus einer Kamera mit speziellen Linsen und Empfängern, die in der Lage sind, die zirkulare Polarisation vom Rest des Lichts zu trennen. Doch selbst mit diesem aufwendigen Instrument wären die neuen Ergebnisse bis vor kurzem unmöglich gewesen.

"Noch vor vier Jahren konnten wir das Signal nur aus einer sehr geringen Entfernung, etwa 20 Zentimeter, detektieren und mussten dazu dieselbe Stelle mehrere Minuten lang beobachten", erinnert sich Patty. Aber die Upgrades am Instrument, die er und seine Kolleginnen und Kollegen vorgenommen haben, ermöglichen eine viel schnellere und stabilere Detektion, und die Stärke der Signatur in zirkularer Polarisation bleibt auch bei Entfernung erhalten. Das machte das Instrument fit für die ersten zirkularen Polarisationsmessungen aus der Luft.

Mit diesem aufgerüsteten Instrument, genannt FlyPol, demonstrierte das Team, dass man durch nur wenige Sekunden lange Messungen aus einem schnell fliegenden Hubschrauber heraus zwischen Grasflächen, Wäldern und städtischen Gebieten unterscheiden kann. Die Messungen zeigen deutlich, dass lebende Materie die charakteristischen Polarisationssignale aufweist, während zum Beispiel Straßen keine signifikanten zirkularen Polarisationssignale zeigen.

Mit dem aktuellen Aufbau sind die Forschenden sogar in der Lage, Signale zu erkennen, die von Algen in Seen stammen. Nach ihren erfolgreichen Tests wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun noch weiter gehen: "Der nächste Schritt, den wir anstreben, ist die Durchführung ähnlicher Nachweise von der Internationalen Raumstation (ISS) aus, die auf die Erde blickt. Das wird uns erlauben, die Nachweisbarkeit von Biosignaturen im planetarischen Maßstab zu beurteilen. Dieser Schritt wird entscheidend sein, um die Suche nach Leben in und jenseits unseres Sonnensystems mithilfe der Polarisation zu ermöglichen", so der MERMOZ-Projektleiter Brice-Olivier Demory, Professor für Astrophysik an der Universität Bern.

Die Messung der zirkularen Polarisationssignale ist nicht nur für zukünftige Weltraummissionen zur Erkennung von Leben wichtig. "Da das Signal in direktem Zusammenhang mit der molekularen Zusammensetzung des Lebens und damit seiner Funktionsweise steht, kann es auch wertvolle ergänzende Informationen in der Erdfernerkundung bieten", unterstreicht Patty. So könnten beispielsweise aus der Luft Abholzung oder Pflanzenkrankheiten festgestellt werden, und es könnte sogar möglich sein, die zirkulare Polarisation bei der Überwachung von toxischen Algenblüten, von Korallenriffen und den Auswirkungen der Versauerung darauf einzusetzen.

Das MERMOZ-Projekt (Monitoring planEtary suRfaces with Modern pOlarimetric characteriZation) zielt darauf ab, zu untersuchen, ob Leben auf der Erde vom Weltraum aus identifiziert und charakterisiert werden kann, indem eine Benchmark-Bibliothek von Oberflächenmerkmalen mit ferngesteuerter Spektro-Polarimetrie aufgebaut wird. In diesem Rahmen wird die Erde als Stellvertreterin für andere Körper des Sonnensystems und Exoplaneten betrachtet.

Über ihre Ergebnisse berichtete das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erscheint.

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siehe auch
Extrasolare Planeten: Ein Fingerabdruck der Erde - 2. September 2019
Astrobiologie: Wie findet man Leben im All? - 29. Juni 2018
Außerirdisches Leben: Lebensspuren im Licht ferner Welten - 6. August 2015
Extrasolare Planeten: Die möglichen Farben ferner Welten - 17. März 2015
Venus Express: Venussonde sucht nach Leben - auf der Erde - 13. Oktober 2008
Ferne Welten - die astronews.com Berichterstattung über die Suche nach extrasolaren Planeten
Links im WWW
Patty, C. H. L. et al. (2021): Biosignatures of the Earth I. Airborne spectropolarimetric detection of photosynthetic life, Astronomy & Astrophysics (arXiv.org-Preprint) 
Universität Bern
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