Bietet der Mars die Voraussetzungen für Leben, wie wir es kennen? Um eine Antwort auf eine der faszinierendsten Fragen der Weltraumforschung zu finden, können Forscher des Labors für Astrobiologie (AstroLab) am Institut für Chemie der Universität von São Paulo (USP) auf einen unerwarteten Verbündeten zählen: das Bakterium Staphylococcus nepalensis oder S. nepalensis.
Das Bakterium, das 2003 im Verdauungstrakt von Ziegen in Nepal entdeckt wurde, wurde auch in verschiedenen anderen Wirten und Umgebungen nachgewiesen – vom Speichel von Hauskatzen bis hin zu einigen hypersalinen Lagunen in der Region Araruama in Rio de Janeiro, deren Salzkonzentration höher ist als die von Meerwasser.
Aufgrund seiner Fähigkeit, in einer derart herausfordernden Umgebung zu überleben, wird S. nepalensis in Experimenten untersucht, die einige extreme Bedingungen auf dem Mars simulieren, wie sie in den sogenannten intermittierenden Salzwasserströmen anzutreffen sein dürften – kleinen Strömen extrem salzhaltigen Wassers, die sich für kurze Zeiträume auf der Marsoberfläche bilden.
Die Untersuchung, wie dieses Bakterium hohen Salzkonzentrationen und plötzlichen Schwankungen des Salzgehalts standhält, trägt dazu bei zu verstehen, inwieweit vorübergehende Umgebungen auf dem Mars, wie diese Salzlachen, die Mindestbedingungen für das Überleben von extremophilen Mikroorganismen erfüllen könnten. Dabei handelt es sich um Lebewesen, die in der Lage sind, unter Bedingungen zu gedeihen, die für die meisten bekannten Lebensformen extrem sind.
Feindliche Umgebung
Im Jahr 2019 identifizierte eine mit dem AstroLab verbundene Forschungsgruppe das Vorkommen von S. nepalensis in Proben, die in dem Lagunenkomplex entnommen wurden, der sich über sechs Gemeinden in der Region dos Lagos an der Küste des Bundesstaates Rio de Janeiro (RJ) erstreckt und die weltweit größte permanente hyperhaline Wassermasse beherbergt. Das Bakterium wurde in der Lagune Brejo do Espinho gefunden – einem Salzwasserkörper, der über einen Kanal mit dem Meer verbunden ist. Diese Lagune weist eine geringe durchschnittliche Tiefe auf, die zwischen 2 Zentimetern und 2 Metern schwankt, was dazu beiträgt, die Schwankungen des Salzgehalts im Laufe des Jahres zu verstärken.
In Trockenperioden steigt die Salzkonzentration drastisch an. In der Regenzeit sinkt sie drastisch. Nicht jeder Mikroorganismus kann diesem saisonalen Auf und Ab standhalten. Doch S. nepalensis hat sich so gut an diese Bedingungen angepasst, dass es zu einem sehr interessanten Modell geworden ist, um zu untersuchen, wie sich mikrobielles Leben angepasst haben könnte, um an einem äußerst lebensfeindlichen Ort wie der Marsoberfläche zu überleben.
Die Salze des Mars
Das mit Abstand am häufigsten vorkommende Salz auf unserem Planeten ist Natriumchlorid. Die Erde verfügt zudem über große Mengen an Kalziumkarbonat (aus dem Kalkstein und Marmor bestehen), Kalziumsulfat (Bestandteil von Gips) und Natriumbikarbonat (Antazidum und Zutat in der Küche).
Keines dieser Salze weist eine für Lebewesen besonders schädliche Eigenschaft auf: die Chaotropie, also die Fähigkeit, lebenswichtige Makromoleküle wie Proteine und DNA zu destabilisieren. Wenn dies geschieht, werden chemische Bindungen zerstört, und diese Moleküle verlieren ihre dreidimensionale Form, sodass sie ihre biologischen Funktionen nicht mehr ordnungsgemäß erfüllen können.
Auf dem Mars sieht die Salzverteilung anders aus. Seit 2008, mit der Phoenix-Mission, wissen wir, dass die Marsoberfläche nicht unerhebliche Mengen an Perchloraten enthält, Salze, die auf der Erde selten sind. Die auf der Marsoberfläche vorkommenden Perchlorate von Kalzium, Magnesium und Natrium sind extrem chaotrop. Eine weitere Eigenschaft dieser Salze weckt jedoch die Hoffnung, dass der Mars für Leben etwas weniger lebensfeindlich sein könnte.
Perchlorate, insbesondere Magnesium- und Kalziumperchlorate, sind hygroskopisch: Sie ziehen Wassermoleküle an und senken den Gefrierpunkt wässriger Lösungen drastisch. Dies könnte die Existenz von Salzlaken auf der Marsoberfläche begünstigen, wo die Durchschnittstemperatur bei etwa minus 60 °C liegt, aber zwischen minus 150 °C an den Polen und plus 20 °C in der Nähe des Marsäquators schwanken kann.
Auch wenn es sich nur um winzige Mengen handelt und das Wasser nur zeitweise vorkommt, könnte dieses hypersaline flüssige Wasser auf dem Mars während des dortigen Sommers auftreten – eine ermutigende Erkenntnis hinsichtlich der Möglichkeit, dass sich dort irgendeine Form von Leben erhalten könnte. Zudem nutzen Extremophile, die in der Atacama-Wüste in Chile entdeckt wurden, Perchlorate als Energiequelle. Die chilenische Wüste gilt als eine dem Mars ähnliche Umgebung.
Sommer auf dem Roten Planeten
Die Forschergruppe von AstroLab untersucht derzeit, wie sich S. nepalensis an die marianischen Bedingungen anpassen könnte, da es über Mechanismen verfügt, die mit einigen durch das Vorhandensein von Perchloraten verursachten Problemen umgehen können. Ziel ist es, zu verstehen, wie der Mikroorganismus auf die Zyklen der zeitweise auftretenden Sole im marianischen Sommer reagieren dürfte, die nachts gefriert und tagsüber wieder in den flüssigen Zustand übergeht.
Die Mars-Salzlaken sind nicht stabil. Wenn die Temperatur tagsüber steigt, taut das Wasser auf und steht für chemische Bindungen, die für biologische Prozesse unerlässlich sind, wieder zur Verfügung. Gleichzeitig trägt das Vorhandensein von mehr Wasser im flüssigen Zustand zur Verdünnung des in der Salzlake angesammelten Salzes bei.
Mit Einbruch der Nacht und dem Absinken der Oberflächentemperatur geschieht das Gegenteil: Diese Lösungen gefrieren wieder, was die Menge an verfügbarem flüssigem Wasser verringert und zu einem Austrocknungsprozess sowie zu einem Anstieg der Salzkonzentration in der gefrierenden Sole führt.
Auf diese Weise kommt es innerhalb kurzer Zeit zu abrupten Veränderungen sowohl bei der Wasserverfügbarkeit als auch bei der Salzkonzentration in der Lösung. Diese Instabilität stellt das Leben, wie wir es kennen, vor große biologische Herausforderungen. Die Ergebnisse der Experimente, die informell als Summer on Mars bezeichnet werden, könnten zeigen, ob die adaptive Elastizität von S. nepalensis angesichts der Schwankungen des Salzgehalts in der Lagune von Rio de Janeiro ein Weg zur Anpassung an die marianischen Umweltstressoren sein könnte.
Gentransfer
Neben der Fähigkeit, sich an große Schwankungen des Salzgehalts anzupassen, wird S. nepalensis auch hinsichtlich seiner Fähigkeit untersucht, Antibiotikaresistenzgene horizontal an Staphylococcus aureus oder S. aureus zu übertragen – eine Art derselben Gattung, die auf der Haut und in den Atemwegen von Menschen und anderen Tieren vorkommt.
Im Gegensatz zu S. nepalensis kann S. aureus schwere Erkrankungen verursachen und steht aufgrund seiner in manchen Infektionsfällen tödlichen Wirkung im Fokus der Forschung. Der horizontale Gentransfer – bei dem eine Art einen Teil ihrer Gene an eine andere weitergibt – ist in diesem Fall besonders besorgniserregend, da er S. aureus gegenüber den verfügbaren Behandlungsmethoden noch resistenter machen könnte.
Der horizontale Gentransfer findet innerhalb derselben Generation statt und ermöglicht es, neue Eigenschaften zu erwerben, ohne auf die über viele Generationen hinweg vererbte genetische Information angewiesen zu sein. Dieser Mechanismus kann Anpassungsprozesse angesichts selektiver Umweltbelastungen beschleunigen. Daher ist sein Verständnis für die Astrobiologie und die Erforschung von Extremophilen von großer Bedeutung.
Der vertikale Gentransfer hingegen ist die bekannte Übertragung durch genetische Vererbung, die von Generation zu Generation stattfindet. Die Forscher des AstroLab befassen sich auch mit der Genetik von S. nepalensis, um zu verstehen, welche molekularen Mechanismen hinter dieser Anpassungsfähigkeit stehen. Ziel ist es, zu identifizieren, welche Gene aktiviert werden, wenn das Bakterium verschiedenen Umweltstressoren ausgesetzt ist, wie beispielsweise hohen Perchloratkonzentrationen und extremen Schwankungen des Salzgehalts.
Die Ergebnisse dieser Studien sollen das Wissen über die Bewohnbarkeit des Mars und über mögliche Anpassungsmechanismen mikrobiellen Lebens an extreme Bedingungen, die auf anderen Planeten und Monden herrschen können, vertiefen.
Foto: ASTROLAB
