Lederberg and spaceships (NASA)

Lederberg and spaceships (NASA)

Im Juli 1965 publizierte Joshua Lederberg den Aufsatz „Signs of life – Criterion system of exobiology“ in der renommierten Zeitschrift Nature. Seit 1960, als das US-Raumfahrtprogramm immer klarer umrissen wurde, hatte sich Lederberg mit den Anforderungen und Auswirkungen der Raumfahrt in mehreren Aufsätzen beschäftigt. Spätestens seit Kennedys Rede vor dem US-Kongress im Mai 1961 war das Reiseziel Mond zu einem nationalen Anliegen geworden, allerdings wurden zumeist die technischen und physikalischen Aspekte betrachtet, nicht jedoch die biologischen. Mit der Publikation „Signs of Life“ umriss der vorausschauende Lederberg die Notwendigkeit und die Grundlagen für die Erforschung der Biologie außerirdischer Lebensformen als neues, hochgradig interdisziplinäres Forschungsgebiet. Und durch das Gewicht seines Nobelpreises wurde seine theoretische Beschäftigung mit diesem futuristisch erscheinenden Thema ernst genommen. Er selbst sagte in einem Interview, dass die Verleihung des Nobelpreises zu einem frühen Zeitpunkt seiner Forscherkarriere ihm ermöglicht hatte, sich zu vielen Themenbereichen zu äußern, die noch keine oder wenig Akzeptanz in der Wissenschaft und Öffentlichkeit genossen. Im Folgenden fasse ich seine wichtigste Publikation „Signs of Life“ grob zusammen. Sie ist ein Meilenstein zur Etablierung des Begriffs „Exobiologie“ und feiert im Juli 2015 ihren 50. Geburtstag: Lederberg, Joshua. “Signs of Life: Criterion System of Exobiology.” Nature 207, 4492 (3 July 1965): 9-13.

Joshua Lederberg: Signs of Life (1965, Nature)

Der erste Absatz seiner Publikation ist ein flammender Aufruf an Wissenschaftler und Politiker, diese epochale Unternehmung („epochal enterprise“) verantwortungsvoll und weitschauend zu nutzen. Als genialer Mikrobiologe und Nobelpreisträger hatte Lederberg einen anderen Blick auf die Welt als die meisten anderen Menschen. Ein Mikrobiologe hat immer den Mikrokosmos im Blick, die Bakterien mit ihren für Makroorganismen positiven und negativen Eigenschaften und die Wechselwirkungen der Mikro- und Makroorganismen. Wo die meisten Menschen einen tollkühnen Astronauten sehen, der auf einem Raktenschweif gen Mond fliegt, um dort die Flagge aufzupflanzen, sieht ein Mikrobiologe die möglichen Mikroorganismen auf dem Astronauten-Overall oder der Raumkapsel. Und was diese Mini-Lebensformen möglicherweise auslösen können. Denn wenn schon die irdischen Mikroorganismen so verheerende Auswirkungen auf Menschen haben können, wie sähe es dann erst mit extraterrestrischen Mikroben aus? Der Schritt der Menschen von der Erde ins Weltall muss von Wissenschaftlern aller Disziplinen als Gelegenheit und Herausforderung zur Forschung begriffen und ergriffen werden, schreibt Lederberg. Nur wenige wissenschaftliche Disziplinen blieben davon nicht berührt: „Very little science is totally irrelevant to it [interplanetary traffic – Anmerkung meertext] and the policy-maker must face a riot of potential approaches to space flight experiments.”. Er schreibt einen eindringlichen Appell, die irdischen wissenschaftlichen Methoden auch für umfassende, begleitende Forschung im extraterrestrischen Bereich einzusetzen. Zu diesem Zeitpunkt war der Gedanke an die wissenschaftliche Exploration des Weltalls selbst unter Wissenschaftlern noch wenig etabliert.

“Fundamental to all biological theory, eso- or exo-, is the evolutionary principle.” schreibt er einleitend. Daraus ergibt sich für die Entwicklung des Lebens auf der Erde die Chemogenese (Organische Chemie), Biogenese (Biologie) und Cognogenese (Historie = Geschichte). Die Prozesse der Planetologie sind die Initialzündungen für spezifischen physikalischen und chemische Bedingungen eines Planeten und die daraus resultierenden möglichen biochemischen Prozesse. Lederberg nächster Gedanke gilt schon dem Planeten, der als nächstes erforscht werden solle: Mars. Denn hier vermutet er ähnliche Umstände wie die, die auf der Erde letztendlich zur Entwicklung des Lebens geführt haben. “Mars must be supposed to have had an initial history similar to Earth.” Ein besonderes Augenmerk solle man auf die Verbindungen C-C-, -C-O-, -C-N- und -O-P- richten, denn sie sind in wässrigen Lösungen einigermaßen stabil. Da das Vorkommen dieser Verbindungen überall im Kosmos recht hoch ist – als eine Konsequenz der Evolution – ist anzunehmen, dass die gleichen Verbindungen auch für den Mars eine große Bedeutung haben sollten. „The cataloguing of organic molecules is a description of the consequences of evolution and must make up a large part of our effort.” Lederberg benennt die evolutiven Prozesse auf der Erde, leitet basale Parameter ab und entwickelt davon ausgehend dann auch mögliche und richtungweisende Parameter für die extraterrestrische Forschung. Sehr vorsichtig nennt er Fakten formuliert Hypothesen, und baut sein Gedankengerüst schrittweise und logisch auf.

In einer Diskussion über die Eigenschaften einzelner Elemente am Beispiel des  Wasserstoffs analysiert er ihre Bedeutung für das Leben. Gleichzeitig führt er aus, dass manche Elemente bzw. Moleküle sich unter anderen physikalischen Parametern auch anders verhalten könnten, als wir es von der Erde gewohnt sind Wir sollten zwar mit Priorität nach den von der Erde bekannten Verbindungen wie Aminosäuren und Nucleotiden suchen, dabei aber keinesfalls aus den Augen verlieren, dass es noch andere Möglichkeiten gäbe „We should, of course, give high, but not exclusive, prioritv to terrestrial prototypes like amino-acids and nucleotidcs.” (S. 6), Von allergrößter Bedeutung für die Exobiologie sind Makromoleküle: „In formational macromolecules define the boundary of chemogeny and biogeny, of chemistry and life. Their description on another planet is the fundamental challenge of exobiology.” (S. 7). Makromoleküle allein sind allerdings noch kein Nachweis für Leben. Erst der Nachweis ihrer wiederholten, korrekten Replikation wäre ein Hinweis für Leben. Denn die exakte Replikation impliziert den Ausschluss fehlerhafter Makromoleküle-Strukturen durch die Weitergabe von Informationen. (Joshua Lederberg hatte 1954 den Nobelpreis erhalten für seine Entdeckung, dass Bakterien sich sexuell vermehren.  – Anmerkung „meertext“).

Das führt zur nächsten Frage: Wie kann man informatorische Makromoleküle („informational macromolecules“, S. 8) entdecken? Die Analyse einer Probe müsste in folgenden Schritten ablaufen: Zuerst kommt die Analyse der Zusammensetzung: (A) Compositional Analysis: (a) Does the sample contain macromolecules? b) What is their composition? (c) Any evidence of informational ordering? Dann folgt die funktionale Analyse: (B) Functional Analysis Ausführlich erläutert Lederberg, welche Analyseschritte zu welchen Ergebnissen führen und welche Aussagen dies ermöglicht – immer am Beispiel irdischer Makromoleküle und ihre Funktionsweisen und Aufgaben.

Im Abschnitt „Morphology“ geht Lederberg auf die Formen und Strukturen möglicher außerirdischer Lebensformen ein. Denn: Ist erst einmal Leben entstanden, wird dieses schnell komplexere Formen wie Zellen, Geweben, Organismen und Populationen entwickeln. In Abhängigkeit von und in Wechselwirkung mit seiner Umwelt. Weitere Voraussagen könne man zu diesem Zeitpunkt allerdings noch nicht machen, sondern müsse nach komplexen Strukturen, die wiederholt vorkommen, suchen. Dabei schließt er auch nicht aus, dass die Morphologie extraterrestrische Lebensformen sich auch etwa an kristallographischen Strukturen orientieren könnte.

Mit dem nächsten Abschnitt „Signale“ (S. 10) macht Lederberg dann einen sehr großen Schritt. Selbst falls sich auf dem Mars Lebensformen nach der o. g. Definition entwickelt haben sollten – hätte dieses Leben auf keinen Fall schon den evolutiven Schritt zur Cognogenese vollzogen. Denn bis heute gibt es keine Anzeichen von intelligentem Leben oder einer Kommunikation vom Mars bzw. auf dem Mars. Auch wenn wir uns bis heute eine extraterrestrische Kommunikation oder Zivilisation nur in unserer Phantasie vorstellen können und es bisher auch sehr schwierig ist, eine allgemeingültige Definition für die Erde zu postulieren, sollten wir in der Lage sein, eine extraterrestrische Kommunikation irgendwie zu erfassen. Genauer gesagt, sollten wir sie hören. Und nicht nur Signale vom Mars, sondern auch von weit dahinter liegenden cognogenetischen Zivilisationen. Um bei aufgefangenen extraterrestrischen Signalen zwischen echten Informationen und einfachem Lärm zu unterscheiden, braucht man Expertise (“Among other difficulties, efiicient informat,ion is, by definition, indistinguishable from noise to the unbriefed eavesdropper.” S. 11). Für die Suche nach außerirdischem Leben und möglichen akustischen, optischen und anderen Signalen müssen die Instrumente sorgfältig ausgewählt werden. Diese Instrumente müssen von Experten erdacht, konstruiert, bedient und ausgewertet werden, die sich mit den entsprechenden physikalischen Parametern auskennen (S. 12). Lederberg nennt die Messung von Absorptionsraten, optische Messverfahren, die Erfassung der Fluoreszenz und Massenspektrometer mit einer kurzen Vorstellung ihrer Vor- und Nachteile.

In der Schlussbetrachtung lässt der umfassend gebildete, geniale Naturwissenschaftler Lederberg seinen Ideen freien Lauf: Some private thoughts on Exobiological strategy“ (S. 12). Er ruft zur umfassenden Erforschung des Mars auf, um die Grundlagen dieses Planeten besser kennen zu lernen. Gleichzeitig bremst er zu hochfliegenden Hoffnungen auf schnelle Erfolge aus und mahnt zu lang anhaltender und umfassender Forschung. Der erste Schritt sollte über auf der Erde stehende Teleskope erfolgen, die bereits viele Daten über den Mars sammeln könnten, die auch wichtig für eine Marslandung wären. Der nächste Schritt wäre ein Mars-Laboratorium im Orbit des Roten Planeten, das durch kontinuierliche Beobachtungen und Messungen wesentlich detailliertere Daten und eine Oberflächenerkundung durchführen könnte. Erst nach der Auswertung solcher Daten könnte der nächste Schritt zum Mars geplant werden. Eindringlich appelliert er an die internationale Forschergemeinschaft: Die Durchführung eines solchen Mars-Vorhabens könne nur in einer gewaltigen gemeinsamen Anstrengung und durch internationale Kooperationen gelingen. Als gelungenes Beispiel und Vorbild dafür nennt er das Internationale Geophysikalische Jahr. „Such an approach to Mars would also open the way to political agreements to unify terrestrial strategy and can allow constructive co-operations like the International Geophysical Year of recent history, for example, to facilitate the relaying of synoptic data.” Gleichzeitig betont er nochmals die Bedeutung der Interdisziplinarität. Für die Erforschung des Mars müsse ein neuartiges Labor konstruiert werden, für die interdisziplinäre Erforschung eines unbekannten Planeten. Diese interdisziplinäre Arbeit ist von großer Bedeutung! Biologen, die erfolgreiche Forschungen im Bereich der Exobiologie durchführen wollen, müssen sich zwangsläufig auch mit den ingenieurstechnischen Anforderungen beschäftigen.

(Quelle: Lederberg, Joshua. Signs of Life: Criterion System of Exobiology.” Nature 207, 4492 (3 July 1965): 9-13.)

Lederberg, der Vordenker

Lederbergs formulierte in „Signs of Life“ wesentliche Grundlagen der Exobiologie und ihrer Methodik. Klar strukturiert skizziert er die Schritte des Herangehens an solch ein gewaltiges Projekt. Abstrahierte Formulierungen illustriert er mit klug gewählten Beispielen, ohne sich in Details zu verlieren. Ausgehend von den bekanten Resultaten auf der erde zu den Abläufen der Entstehung von chemischen Verbindungen die über in spezifische Makromolekülen letztendlich zu Lebensformen führten, fordert er auf, diese Forschungserkenntnisse auch auf unbekannte Systeme wie andere Planeten anzuwenden. Ein möglichst umfangreiches und aktuelles Wissen sollte dann mit einem für andere Vorgänge und Merkmale weit offenen Geist kombiniert werden, um andersartige Systeme systematisch zu erforschen. Ausgehend vom Bekannten erfolgt die Erforschung des Unbekannten. Die von ihm als wichtig betrachteten Grenzbereiche der Chemo- und Biogenese sind bis heute ein maßgebliches Forschungsgebiet der Exobiologie: die Erforschung der Extremophilen. Extremophile sind Lebensformen, die in Habitaten leben, die durch extrem niedrige oder hohe Temperaturen, Trockenheit, Strahlung, extrem hohen Salzgehalt oder Säureanteile und andere Umstände scheinbar lebensfeindlich erscheinen.

Reiseziel Mars – topaktuell

Das von Lederberg direkt ausgesprochene Reiseziel Mars ist bis heute der wichtigste nächste Schritt zur Erforschung des Weltraums! Lederberg hat die Ausrichtung nicht nur der US-Raumfahrt auf Jahrzehnte hinaus geprägt, bis heute.
So wird es z. B. auch vom Moonwalker Buzz Aldrin stark unterstützt. Für den allerdings die Ausbeutung der Mars-Ressourcen im Vordergrund steht, wie ich bei seinem Vortrag 2014 im Technischen Museum Speyer zu hören bekam.

Zeitlich sehr passend hat der neue ESA-Direktor Jan Wörner neue Mond- und Mars-Missionen in einem Interview zu seinem Amtsantritt thematisert.
Er schlägt vor, in den nächsten Jahren ein „Mond-Village“ zu bauen und zusätzlich auf der Rückseite des Mondes Forschungseinrichtungen wie Teleskope zu installieren. Eine solche internationale Mondstation, die zeitlich in der Nach-ISS-Ära anzusiedeln wäre, könne nur mit internationaler Anstrengung errichtet du betrieben werden. Neben den großen Raumfahrtagenturen wie ESA und NASA hält er auch die Beteiligung weiterer Staaten für sehr wichtig. Eine Mondstation würde einen wichtigen Schritt in Richtung einer bemannten Mars-Mission bedeuten. Die Mars-Mission sieht er allerdings in nicht so naher Zukunft, jedenfalls nicht innerhalb der nächsten 30 Jahre. Es geht hier also die um langfristige Weichenstellungen für die nächsten Schritte ins All, um das nächste Mega-Projekt im Weltraum nach der ISS. In internationaler Kooperation und mit einer modularen Vorgehensweise, die allein ein solches Mega-Projekt planbar, finanzierbar und durchführbar macht.

Mehr dazu im Interview von Henning Krause “Der Mond ist wissenschaftlich hoch interessant” (im dritten Abschnitt geht es um die Mondpläne).

Kommentar: Evolution, Raumfahrt und Aliens

Lederbergs “Signs of Life” ist topaktuell.
Aber: Wenn ich in Nicht-Nerd-Kreisen Worte wie Astrobiologie oder Exobiologie in den Mund nehme, ernte ich häufig irritierte Blicke.
Als nächstes kommen Witze über grüne Männchen.
Im Jahre 2015, ganze 50 Jahre nach der Einführung des Begriffs Exobiologie durch einen Nobelpreisträger.
In Europa scheint sich durch die sehr erfolgreiche und auch sehr erfolgreich vermarktete Rosetta-Mission glücklicherweise aber gerade eine signifikant positivere Haltung gegenüber der Raumfahrt und anschließenden Themengebieten zu etablieren. Herrn Wörners Antritts-Reden mit der Anregung zum Bau einer internationalen Mondstation haben es immerhin in die Tagesschau geschafft und in ein Bild-Zeitungs-Interview (das mir allerdings nur vom Hörensagen bekannt ist).

Gleichzeitig haben wir die Situation, dass große Teile der US-amerikanischen Bevölkerung und kleinere Teile der deutschen Bevölkerung die Sache mit der Evolution immer noch nicht begriffen haben und dieses elementare Wissen um die Entstehung des Lebens stattdessen rundweg leugnen.
Ich hoffe, dass die Evolution ihren Platz im deutschen Lehrplan behält bzw. wiedererlangt.
Und dass Europa sich auf seine Stärken besinnt und lieber eine Mond- und Marsmission planen sollte, statt sich selbst zu zerflesichen, wer wem Geld schuldet. Die Kosten für Raumfahrtprogramm sind neben den derzeitig diskutierten Staatsschulden jedenfalls Peanuts. Neben einer identitässtiftenden Idee sorgen Raumfahrtprogramme für international konkurrenzfähiges technisches Knowhow, hoch qualifizierte Arbeitsplätze und jede Menge Schub in Industrie und Forschung. Und den Beweis “Yes, Europe can!”.

In diesem Kontext gibt es noch eine interessante Personalie: Den Platz von Herrn Prof. Wörner an der Spitze der DLR nimmt die Astrobiologin Pascale Ehrenfreund, zurzeit Professorin für Space Policy and International Affairs in Washington, ein!
Das verspricht, spannend zu werden.

Kommentare (2)

  1. #1 Rüdiger Kuhnke
    München
    8. Juli 2015

    Welch eine Faszination! Ich kann mich erinnern, wie ich als 14jähriger diesen Artikel gelesen habe:
    http://www.zeit.de/1964/13/biologie-in-kosmischen-dimensionen

    • #2 Bettina Wurche
      8. Juli 2015

      @Rüdiger: Wow! Mit 14 wusste ich noch nicht mal, dass es Fachzeitschriften mit solchen Inhalten gibt.