DIE ZWEITE WASSERWELT

Die Nachrichten vom Mars sind verheerend: Ein globale Dürre hat den Nachbarplaneten erfasst. Die letzten Gewässer verdunsten ins All. Nur das Schmelzwasser der vereisten Pole kann den Untergang der einst blühenden Welt aufhalten. In gewaltigen Kanälen schleusen es die verzweifelten Marsianer Richtung Äquator. Dieses düstere Szenario entstammt keinem Science-Fiction-Roman, sondern es war die Botschaft einiger Astronomen Anfang des vergangenen Jahrhunderts, allen voran von Percival Lowell. Der Gründer der Sternwarte von Flagstaff im US-Bundesstaat Arizona sah im Fernrohr das Antlitz des Planeten von schnurgeraden Linien durchzogen. Er und seine Mitstreiter deuteten sie als Kanäle. 600 davon glaubte allein Lowell auszumachen. Und er berichtete den faszinierten Lesern der New York Times, wie quasi vor seinem Auge der Bau neuer „ Wasserstraßen” vonstatten ging. Heute ist klar: Die vermeintlichen Kanäle waren optische Täuschungen – ein spektakulärer Fauxpas der damaligen Planetologie. Doch auch ein Jahrhundert später und nach vier Jahrzehnten Erkundung mit Raumsonden ist die zentrale Frage der Mars-Forschung immer noch unbeantwortet: Gibt es Leben auf dem Roten Planeten, oder hat es früher welches gegeben? Natürlich denkt dabei heute niemand mehr an technische Zivilisationen. Bereits Mikroben oder ihre Fossilien wären eine Sensation.

Doch unbekannte Mars-Mikroben aufzuspüren, ist schwierig und langwierig. Die Forscher gehen deshalb schrittweise vor. Wie einst Lowell folgen sie zunächst den Spuren, die das wichtigste Lebenselixier auf dem Mars hinterlassen hat: Wasser. Als Flüssigkeit hat es bislang zwar niemand zweifelsfrei auf der Oberfläche beobachtet, aber eisförmig ist es weit verbreitet. Kann das Eis bisweilen schmelzen? Existiert heute immer noch Grundwasser – möglicherweise als Relikt der gewaltigen Fluten, die sich vor Milliarden Jahren über die Mars-Oberfläche ergossen?

Während solche Fragen die Geologen beschäftigen, untersuchen Astrobiologen die Habitabilität (siehe: „Gut zu Wissen” auf Seite 49) des Mars-Bodens – seine grundsätzliche Eignung, Leben zu beherbergen. Die Astrobiologie ist das Hauptarbeitsgebiet von Petra Rettberg vom Kölner Labor für Strahlenbiologie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Dort setzt die Molekularbiologin in Experimentierkammern besonders robuste Bakteriensporen einer simulierten Mars-Umgebung aus. Die „ Mars-Luft” dafür mischt ein Lieferant für das DLR zusammen. Sie enthält zu über 90 Prozent Kohlendioxid, etwas Stickstoff, dazu Spuren von Sauerstoff und Edelgasen.

EISIGE MARS-NACHT

„Wasserdampf kommt ebenfalls als Spurengas vor, jedoch nur in extrem geringen Konzentrationen im 0,0001-Prozent-Bereich”, erklärt Rettberg. Die Temperaturen in den Kammern ähneln den Werten der eisigen Mars-Nacht: Bis zu minus 50 Grad Celsius können eingestellt werden. Auf dem Mars gibt es sogar noch kältere Orte. Unverzichtbar für jede Simulation ist die Ultraviolettstrahlung (UV) der Sonne, denn der Planet hat keine schützende Ozonhülle. Die ionisierende Strahlung, zum Beispiel Protonen von der Sonne, lässt sich in Köln überhaupt nicht simulieren. Anders als auf der Erde, die vom Erdmagnetfeld geschützt wird, dringen diese energiereichen Partikel auf dem Mars bis zum Boden vor – lebensbedrohlich für jeden Organismus.

Um besonders realistische Bedingungen zu haben, werden die Einzeller direkt ins All geschossen – zuletzt im Herbst 2007, als die Sporen der Spezies Bacillus subtilis in der russischen Kapsel Foton-M3 einen knapp zweiwöchigen Weltraumtrip antraten. „Mit der Mission wollten wir testen, ob toxische Substanzen im Mars-Boden entstehen, die den Bakterien zum Verhängnis werden”, erklärt Rettberg. Dazu wurden die Sporen unter eine Mischung von Mineralien gemengt, die, soweit bekannt, echtem Mars-Boden ähnelt. Kürzlich berichtete die DLR-Forscherin auf der Jahreskonferenz der europäischen Planetologen in Münster über das Experiment. Das Hauptresultat: Es bilden sich keine giftigen Stoffe im simulierten Mars-Boden. Obwohl die UV-Strahlung photochemische Reaktionen begünstigt, scheint der staubige Boden den Sporen Schutz zu bieten. Schon unter einer dünnen Staubschicht könnten Mars-Bakterien vor der gefährlichen UV-Strahlung wirkungsvoll in Deckung gehen.

Rettbergs Resultate sind auch für die Raumfahrt wichtig. Sollten irdische Bakterien auf Landesonden bis zur Mars-Oberfläche gelangen, würden sie sich womöglich dort festsetzen – besonders dann, wenn gezielt habitable Regionen angesteuert würden. Die Lander werden deshalb vor dem Start sorgfältig sterilisiert. Trotzdem ist ein Sporen-Transfer wahrscheinlich (bild der wissenschaft 10/2006, „Die Eroberer des Nichts”). Deshalb könnte es schwierig werden, sicher zwischen marsianischen Mikroben und irdischen „Einwanderern” zu unterscheiden.

Eine mögliche „Mars-Oase” hatte auch die Phoenix-Sonde als Ziel. Schon zum sechsten Mal gelang der Nasa damit im Mai 2008 eine sichere Mars-Landung. Doch erstmals zielte die Weltraumbehörde auf den „hohen Norden”. Dort, auf 68,2 Grad geographischer Breite – das entspricht etwa dem nordschwedischen Kiruna – vermuteten Mars-Forscher Wassereis dicht unter der Oberfläche.

EIS IM BODEN DES ROTEN PLANETEN

Anders als die beiden Gefährte Spirit und Opportunity ist der dreibeinige Phoenix stationär. Sein Auftrag: Mit einem Schaufelarm Bodenproben einzusammeln und ihre chemische Zusammensetzung zu analysieren. Den ersten Hinweis auf Eis im Untergrund lieferte nach wenigen Tagen eine deutsche Bordkamera, die „Robotic Arm Camera” vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Katlenburg-Lindau. Ihr gelang ein spektakuläres Bild: Darauf sind gleißend helle Bodenschichten zwischen den Tellerfüßen von Phoenix zu erkennen. Offenbar hatten die Abgasstrahlen der Landetriebwerke lockeres, einige Zentimeter dickes Deckmaterial weggeblasen und das Eis zutage befördert.

Einen weiteren Beleg zeigten die Fotos der frisch ausgehobenen Gräben: helle, teils weiße Stellen. „Ist das Eis einmal ausgegraben, beginnt es sich zu verändern”, erklärt Physiker Walter Goetz, der am MPS die Phoenix-Daten auswertet. „Es sublimiert, das heißt es verdampft, ohne vorher aufzutauen.” Verborgen im Untergrund sei das Eis jedoch lange stabil. Der chemische Nachweis von Wasser mit dem TEGA-Instrument („Thermal Evolved Gas Analyzer”) war nun keine große Überraschung mehr. Das Messgerät erhitzt Bodenproben schrittweise auf 1000 Grad Celsius. Ein eingebautes Massenspektrometer untersucht die dabei freigesetzten Gase. Zusätzlich fahndete das „Wet Chemisty Laboratory” nach löslichen Substanzen im Boden. Die nötige Feuchtigkeit dazu lieferte irdisches Wasser: Phoenix hatte es eigens mitgebracht.

Beide Instrumente enthüllten eine bemerkenswerte Bodenchemie: So maßen sie einen basischen pH-Wert, ähnlich wie in den meisten irdischen Böden oder in Seewasser. Im äquatornahen Einsatzgebiet der beiden Rover ist das anders: Die Bodenuntersuchungen sprechen für ein saures Ambiente. „Außerdem wurden Perchlorat-Salze identifiziert”, sagt Horst Uwe Keller vom MPS. Für Keller sind die Verbindungen aus Sauerstoff und Chlor eine ziemliche Überraschung, denn sie könnten darauf hindeuten, dass der Boden einst nicht gefroren war. Der Max-Planck-Forscher hatte einige Wochen in der Steuerzentrale der Mission an der University of Arizona verbracht. Dort sorgte der Perchlorat-Fund für heftige Diskussionen. Die Wissenschaftler halten es für möglich, dass die Frostschutzwirkung dieser Salze selbst bei Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunkts Wasser flüssig halten könnte.

CHEMIE-LABOR AUF DEM MARS

Eine weitere wichtige Entdeckung sind einige Prozent Kalziumkarbonat im Mars-Boden. Lange hatten Planetologen vergeblich versucht, es auf dem Roten Planeten aufzuspüren. Auf der Erde ist die Verbindung aus Kalzium, Kohlenstoff und Sauerstoff weit verbreitet, zum Beispiel in Kreide, Kalk oder Marmor. Sie kommt auch in Korallen, Knochen und Einzellern vor. Das fehlende Karbonat brachte die Verfechter einer lebensfreundlichen Mars-Geschichte in Verlegenheit. Ihnen wurde vorgehalten: Wenn der Rote Planet einst tatsächlich für längere Zeit wasserreich war, so müsste mit dem Kohlendioxid seiner Gashülle durch chemische Prozesse in messbaren Mengen Kalziumkarbonat entstanden sein. „Und zur Bildung dieses Minerals ist flüssiges Wasser nötig”, sagt Nicholas Tosca, der skeptisch ist, was das biologische Potenzial des Mars betrifft. Wie viel Wasser es braucht, darüber könne man allerdings streiten. Bereits ein dünner Film wäre ausreichend, meint der Geochemiker von der Harvard University.

Für Mikroben bieten selbst winzige Habitate eine Chance fürs Überleben, denn auf den mikroskopischen Skalen herrschen andere Gesetze. Laut Urs Staufer könnten Poren im Mars-Boden, die kaum einen Tausendstelmillimeter messen, Wasser auch bei Frosttemperaturen flüssig halten. Der Physiker leitet das Schweizer Rasterkraftmikroskop-Experiment, dessen Vergrößerung jedes optische Mikroskop in den Schatten stellt. Sein Herzstück ist kaum größer als eine Streichholzschachtel. Es war ebenfalls mit Phoenix in die Mars-Arktis gereist. Bei dem Experiment ging es ursprünglich darum, die Weltraumtauglichkeit dieser Technik zu demonstrieren. Während der Mission wuchs jedoch die Bedeutung des kleinen Gerätes, und es nahm mehrfach Mars-Staub unter die Lupe. „ Auf unseren Bildern sehen wir die dreidimensionale Gestalt der feinsten Staubpartikel. Sie sind der physikalisch und chemisch aktivste Bestandteil des Mars-Bodens, deshalb interessieren sich Geologen besonders dafür”, weiß Staufer, der mittlerweile an der niederländischen Universität Delft forscht. Unter den porträtierten Partikeln sind auch plättchenförmige Exemplare, deren Gestalt an die von Tonmineralien, geformt durch den Kontakt mit flüssigem Wasser, erinnert. Die Interpretation dieser Daten dauerte bei Redaktionsschluss noch an.

LEBENSELIXIER AUS DER LUFT?

Bereits jetzt ist klar, dass das Kraftmikroskop seine Feuertaufe bestanden hat. Prinzipiell wäre es möglich, mit einer weiterentwickelten Variante auch Mikrofossilien abzubilden. Doch Staufer dämpft zu hohe Erwartungen: „Es ist zweierlei, ein solches Instrument von einem Operateur zu betreiben oder auf einer automatischen Sonde.” Denn bei einer Sonde muss man mit voreingestellten Parametern auskommen, die die Leistungsfähigkeit begrenzen. Selbst unter den idealen Bedingungen in einem irdischen Labor sind solche Fossilien nur schwer zu identifizieren. So dauert die Debatte um die seltsamen wurmförmigen Strukturen im Mars-Meteoriten ALH 84001 mittlerweile über ein Jahrzehnt an.

Nach anfänglicher Euphorie sind nun die meisten Forscher skeptisch und halten die nanometerkleinen Objekte für die Relikte unbelebter Prozesse. Umstritten ist auch, ob heute noch genügend Wasser im Mars-Boden existiert, damit Mikroben leben können. Dirk Schulze-Makuch stellt deshalb eine kühne Hypothese zur Diskussion: Die Mars-Mikroben bedienen sich vielleicht direkt aus der dünnen Mars-Atmosphäre: „Sie könnten Wasserdampf aus der Gashülle aufnehmen”, spekuliert der Astrobiologe der Washington State University. Ihre Zellen enthalten, so seine Vorstellung, eine Mischung aus Wasser und Wasserstoffperoxid (H2O2). Diese oxidierende Verbindung benutzt auch manche irdische Mikrobe, und modebewusste Zeitgenossen bleichen sich mit dem reaktiven Gebräu die Haare. Für hypothetische Mikroben auf dem Mars wäre H2O2 dagegen überlebenswichtig: Sie könnten mit seiner Hilfe den eisigen Temperaturen trotzen, denn es wirkt wie ein Frostschutzmittel.

Laut Schulze-Makuch steht die These im Einklang mit den Resultaten der amerikanischen Viking-Sonden. Die beiden Lander waren vor über drei Jahrzehnten auf der Mars-Oberfläche niedergegangen und machten dort biochemische Experimente. Doch deren Interpretation war schwierig: Obwohl im Boden scheinbar eine Art Stoffwechsel stattfand, konnten die Minilaboratorien keine organischen Moleküle finden. Hatte eine unbekannte, stark oxidierende Bodensubstanz alle organischen Stoffe vernichtet? Oder hatten die Viking-Forscher damals die Aktivität von H2O2- Bakterien gemessen, ohne diese zu erkennen? Womöglich werden die Phoenix-Experimente Klarheit bringen.

Die Beweise für flüssiges Wasser in der Vergangenheit sind bereits heute erdrückend. Wohin die Forscher auch schauen, sie finden entsprechende Erosionsspuren. So etwa im Eberswalde-Krater auf der Südhalbkugel des Mars: 2003 entdeckte die Nasa-Sonde Global Surveyor dort die steinernen Reste eines Flussdeltas, das Milliarden Jahre überdauert hat. Die auffällige fächerförmige Struktur faszinierte die Geologen. Ebenso wie viele andere Mars-Forscher ist Ernst Hauber vom Institut für Planetenforschung des DLR überzeugt, dass den Eberswalde-Krater einst ein See füllte. Er glaubt, dass Geröll und Bodenmaterial über die Zuflüsse in den Krater gelangten und abgelagert wurden. Die Sedimente behinderten das nachströmende Wasser. Dadurch verzweigte sich der Fluss immer wieder. Im Lauf der Zeit entstand so das charakteristische Labyrinth aus stehenden und fließenden Flussläufen samt eingelagerter Inseln.

Eberswalde ist kein Einzelfall. Wie der Berliner Geologe kürzlich mit weiteren Kollegen im Fachmagazin „Planetary and Space Science” berichtete, findet sich Ähnliches in der äquatornahen Region Xanthe Terra, deren größte Ausdehnung immerhin die Distanz Paris-Moskau übertrifft. Seit Langem ist bekannt, dass die Hochebene von Flüssen geformt wurde. Diese speisten offenbar auch Seen, denn die Planetenforscher fanden auch Deltas.

FLUSSDELTA IN XANTHE TERRA

Doch wann existierten diese Gewässer? Aus der Verteilung von Einschlagskratern können Experten das Alter einer Planetenoberfläche ermitteln: Je mehr Krater gezählt werden, desto älter ist das Gebiet. Solche Analysen ergaben, dass die Flüsse in Xanthe Terra irgendwann vor 3,5 bis 4 Milliarden Jahren Wasser führten. Hauber: „Die Bildung der Deltas vollzog sich relativ schnell, wenn man geologische Zeiträume zum Maßstab nimmt. Selbst bei Annahme eines sehr geringen Durchflusses hätte es kaum mehr als einige Hunderttausend Jahre gedauert, bis die Deltas ihre heutige Ausdehnung erreichten.” Bald darauf trocknete die Xanthe-Region aus. Waren die Hochwasser also nur sporadische Ereignisse – viel zu selten, um Leben eine Chance zu geben? Ganz in der Nähe von Xanthe Terra bietet sich ein anderes Bild: Zuerst waren die Forscher auf Satellitenfotos nahe den gewaltigen Canyons von Valles Marineris auf helle Schichten gestoßen. Dann fing das Spektrometer des Reconnaissance Orbiters der Nasa dort die Signatur von Siliziumdioxid und Wasser auf. Die Zeugnisse einer feuchten Epoche sind also bis heute in den Gesteinen konserviert, so Ralph Milliken vom Jet Propulsion Laboratory vergangenen November im Fachblatt „Geology”. Völlig überraschend kam die Entdeckung nicht. Seit Längerem sind solche Wasserspuren bekannt, auch der Mars-Rover Spirit hatte ähnliche Resultate gemeldet (bild der wissenschaft 9/2008, „Explosionen auf dem Mars” ). Spektakulär ist der Fund aus einem anderen Grund: Die Schichten befinden sich in deutlich jüngeren Landschaften als in allen anderen vergleichbaren Fällen. Noch vor zwei Milliarden Jahren könnte der Mars durchaus lebensfreundliche Phasen gehabt haben, so der Mitautor der Studie Scott Murchie.

Noch sind längst nicht alle Ka-pitel im Geschichtsbuch des Mars geschrieben. Dirk Schulze-Makuch wünscht sich deshalb neue Landesonden. Er schlägt eine Mission vor, die gezielt nach DNA-Molekülen fahndet. Doch gerade treten die Weltraumbehörden auf die Bremse. Der Start des „Mars Science Laboratory”, eines Nasa-Rovers vom Format eines Kleinwagens, wurde aus technischen Gründen auf den Herbst 2011 verschoben. Nicht besser erging es dem europäischen ExoMars-Mobil. Aus Kostengründen soll es nun erst 2017 fliegen – vorausgesetzt, genügend Sponsoren springen dem Esa-Projekt zur Rettung bei. Die Astrobiologen müssen sich also gedulden, vielleicht sogar eine ganze Weile. Denn die Frage nach dem Mars-Leben könnte sich für automatische Sonden als zu komplex erweisen. Dann könnten erst Astronauten das Rätsel lösen. ■

thorsten dambeck ist promovierter Physiker. Er berichtet in bdw oft über das Sonnensystem, zuletzt über Saturns Mond Titan (3/2009).

Von Thorsten Dambeck