“Detektivarbeit”: Diese Forscherin geht dem Leben auf den Grund
Cara Magnabosco wollte Profifussballerin werden. Dann siegte ihre Neugier, und sie entschied sich für die Forschung. Nun sucht die ETH-Professorin nach den Ursprüngen des Lebens – tief unter der Erdoberfläche.
Wer vom Nufenenpass vom Wallis hinunter in den Südschweizer Kanton Tessin fährt, kommt unweigerlich daran vorbei. Doch der Eingang in den Berg fällt kaum jemandem auf. Er heisst “Finestra di Bedretto”Externer Link, auf Deutsch Bedretto-Fenster.
Der Tunnel wurde ursprünglich als Zugangsstollen zum 15,38 km langen Furka-Basistunnel aus dem Stein gehauen. Der Basistunnel ermöglicht unter anderem auch den Autoverlad von Ost nach West. Heute will Cara MagnaboscoExterner Link dort 1500 Meter unter der Erdoberfläche den Ursprüngen des Lebens im Universum auf den Grund gehen. Buchstäblich.
Dafür reist sie etwa jeden zweiten Monat ins Tessin. Die 33-jährige Geobiologin sieht aus wie eine Strassenarbeiterin: Oranger Overall mit reflektierenden Streifen, Schutzhelm, autonomer Selbstretter – eine Maske mit eigener Sauerstoffzufuhr, deren Schultergurt schwer aufliegt.
>> Wir waren unterwegs mit Cara Magnabosco, tief im Erdinnern und in ETH-Labors.
Wenn Magnabosco zwei Kilometer horizontal in den Berg hineingelaufen ist und das “BedrettoLab” erreicht hat, ein unterirdisches Labor der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH), könnte sie sich im Notfall dank diesem Gerät selbst aus dem Tunnel evakuieren.
Im Tunnel ist es feucht und kühl. Er wurde nicht verputzt. Dunkles Gestein bildet inmitten des Gotthardmassivs Decke und Wände, der Boden ist uneben. Eine gute Belüftung verhindert den modrigen Geruch, den man hier hätte erwarten können. An diesem Montag im Mai ist es im Tunnel ruhig, nur viel weiter hinten sprühen Funken – eine Crew schweisst etwas. Und hier unten soll es Leben geben? Wir sehen nur Wasser und Stein.
Proben aus den Tiefen der Erde
Magnabosco geht anderthalb Kilometer unter dem Gotthard-Massiv den ältesten Hinweisen auf Lebensformen auf unserem Planeten nach. Dafür steigt sie nicht nur in die tiefsten Tiefen der Erde hinab, sondern sitzt oft auch stundenlang in abgedunkelten Mikroskopie-Räumen oder bereitet Proben im Labor vor.
Vorerst aber schräubelt sie im Tunnel an einem Wasserhahn, der an einer bestimmten Stelle montiert wurde, weil sich dort eine Wasserader befindet – es ist Wasser, das Zehntausende von Jahren durch den Fels durchgesickert ist. Sie zapft von dem Wasser ab, um daraus Proben zu nehmen. Dann kratzt sie mit einem Plastikröhrchen noch etwas am feuchten Gestein, um Mikroben einzusammeln.
“In dieser Probe können sich Tausende Mikroorganismen befinden, die nie das Tageslicht gesehen haben”, sagt sie. “Es ist eine faszinierende Umgebung”, denn hier seien diese Lebensformen aus der Urzeit der Erde von allen Oberflächenprozessen abgeschirmt. Gerade das macht sie interessant für die Suche nach den Ursprüngen des Lebens im Universum.
Wasser und Stein – mehr braucht es nicht
Zwei Monate zuvor hatte ich Magnabosco erstmals in ihrem Büro am ETH-Departement für Erdwissenschaften in der Stadt Zürich getroffen. Sie holte aus einer aufwendig verzierten Kartonschachtel behutsam einen ockerfarbenen Stein aus den omanischen Bergen hervor, den sie als Auszeichnung für aufstrebende Jungforschende erhalten hat: “Wenn ich diesen in Wasser legen würde, hätten wir die wichtigsten Zutaten für das Leben: Wasser und Stein.”
Aber ab wann genau beginnt das Leben? Darüber sind sich Forschende nicht einig. Leben sei eine Definitionsfrage, und die Antwort hänge davon ab, wen man fragt: die Biologinnen, Chemiker, Philosophinnen.
Als Assistenzprofessorin für Geobiologie erforscht Magnabosco die Grenze zwischen toter und lebender Materie. “Wir wollen verstehen, wo Leben vorkommen kann und wo nicht mehr”, sagte sie bei einem Besuch im Labor zwei Stockwerke über ihrem Büro. Dort untersucht sie mit ihren Studierenden die Wasserproben, die sie im “BedrettoLab” gesammelt haben.
Die DNA gab ihr den Kick
Der Weg in die Wissenschaft war für die Tochter einer Thailänderin und eines Amerikaners nicht die einzig mögliche Berufskarriere. Sie wuchs mit einer älteren Schwester in den USA auf, im Bundesstaat Indiana. Ihre Mutter ist Augenärztin, der Vater arbeitet im Finanzsektor. Als Kind wollte Magnabosco Profifussballerin werden.
In ihrem letzten Jahr an der High-School belegte sie einen Biotechnologie-Kurs – und fing Feuer für die DNA-Sequenzierung. “Wir haben DNA von unseren Wangen genommen und gelernt, wie sie sequenziert und analysiert wird. Das war wirklich cool.” Später würde sie diese Analysemethode in ihrem Biologiestudium und ihrer Forschung immer wieder anwenden.
Im Kurs hätten die Schülerinnen und Schüler auch das Buch “Hot Zone: Tödliche Viren aus dem Regenwald” von Richard Preston gelesen. Der Bestsellerautor beschreibt darin, wie Forschende nach den ersten Ausbrüchen in Afrika der Herkunft des Ebola-Virus nachspürten und es aufschlüsseln konnten. Diese Mischung aus Abenteuer und Wissenschaft hat Magnabosco sehr zugesagt. Die Faszination dafür ist geblieben.
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Im Team für ein neues Forschungszentrum
Magnabosco erzählt von ihren verschiedenen Forschungseinsätzen auf der norwegischen Inselgruppe Spitzbergen, im Death Valley und in portugiesischen Thermalquellen.
Als Doktorandin in Princeton (2011 bis 2016), einer der angesehensten und wohlhabendsten Universitäten der Welt, war sie unter anderem tief unten in Goldminen in Südafrika, wo riesige Lifte mit grosser Geschwindigkeit in die Tiefe sausen. “Tsch, tsch, tsch”, macht sie, um das hohe Tempo zu illustrieren. Im gleichen Lift sei sogar manchmal ein gigantischer Lastwagen hinunterbefördert worden.
2019 bewarb sich Magnabosco schliesslich auf die Stelle einer Assistenzprofessur (Tenure Track) für Geobiologie an der ETH. Ihr Forschungsgebiet passt damit perfekt in das neue Zentrum für die Erforschung des Ursprungs und der Verbreitung von Leben (Center for the Origin and Prevalence of Life), das im September an der ETH eröffnet werden sollExterner Link (siehe Kästchen).
Das neue Zentrum zur Erforschung des Ursprungs und der Verbreitung von Leben (Centre for the Origin and Prevalence of Life) wird am 2. September 2022 an der ETH Zürich eröffnet, im Rahmen des Latsis-Symposiums 2022Externer Link.
Es wird eines der ersten interdisziplinären und hochschulübergreifenden Zentren zur Erforschung des Lebens in Europa sein.
Leiter des Zentrums wird der Astronom und Nobelpreisträger Didier Queloz. Der Schweizer entdeckte 1995 gemeinsam mit seinem Landsmann Michel Mayor den ersten Planeten, der um einen sonnenähnlichen Stern kreist. Man nennt erdähnliche Planeten Exoplaneten. Queloz wird weiterhin auch an der University of Cambridge forschen.
Magnabosco wird unter anderen mit dem Schweizer Nobelpreisträger Didier Queloz zusammenarbeiten, der das Forschungszentrum an zwei Standorten in und um Zürich leiten wird.
Es ist als multidisziplinäres Zentrum angedacht, mit Beteiligung der Fächer Chemie, Biologie, Geowissenschaften, Astrophysik und weiteren interessierten Disziplinen.
>> Mit den Gründern des ETH-Projekts “Center for the Origin and Prevalence of Life”, Didier Queloz und Sascha Quanz, sprachen wir letztes Jahr. Hier das Interview:
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“Es gibt Leben anderswo im Universum”
Konkret sucht Magnabosco nach jenen Mikroben, die am Anfang der Entstehung des Lebens stehen – vor etwa zwei Milliarden Jahren. “Es ist eine Art Detektivarbeit”, antwortet sie auf die Frage, wie diese sich im Verlauf der viereinhalb Milliarden Jahre der Erdgeschichte weiterentwickelt und gegenseitig beeinflusst haben.
Geschützt im Untergrund
Warum sucht Magnabosco im Untergrund der Erde und nicht auf der Oberfläche anderer Planeten, wo ebenfalls die Sonne scheint, nach den Ursprüngen des Lebens? Um diese Frage zu erörtern, steigen wir für einen Blick in den Himmel aufs Dach des Departements für Erdwissenschaften in Zürich.
“Zumindest in unserem Sonnensystem wissen wir, dass ein Grossteil der Oberfläche der Planeten unbewohnbar ist”, sagt sie. Im Untergrund aber seien Lebensformen gut geschützt vor der Instabilität, die auf der Oberfläche eines Planeten herrschen könne.
Für Magnabosco ist die Chance, dass es Leben auch anderswo als nur auf der Erde gibt, sehr wahrscheinlich. “Die allgemeinen Zutaten für das, was wir für Leben halten – Wasser und Stein –, scheinen möglicherweise auch auf anderen Planeten gegeben zu sein”, sagt sie. Sie verspricht sich deshalb auch einiges vom James-Webb-Teleskop, das kürzlich ins All geschossen wurde. Dieses soll Exoplaneten finden, auf denen Leben vorkommen könnte.
>> Das James-Webb-Teleskop hat im Juli 2022 seinen Betrieb aufgenommen und erste spektakuläre Bilder aus den Tiefen des Alls geliefert. Wie funktioniert es?
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James Webb und der Blick zum Ursprung des Universums
Wir müssen uns aber von der Idee eines komplexen Wesens wie ET oder Alien verabschieden. Auf anderen Planeten sei es wahrscheinlicher, dass wir Leben finden, das mehr Ähnlichkeit mit Mikroorganismen habe, sagt Magnabosco. Und von der Erde wissen wir bereits, dass mehr Mikroorganismen im Untergrund als an der Oberfläche oder in den Ozeanen leben.
Im Tunnel im Bedrettotal sind wir unterdessen im unterirdischen Labor angekommen. Es ist kein Raum, sondern lediglich ein etwas breiterer Abschnitt im Stollen. Am Rand stehen einige Tische mit Messapparaten und Computern, in einem grösseren Wasserloch verschwinden ein paar faustdicke Röhren.
Magnabosco checkt auf einem Bildschirm einige Einstellungen. Zwar können fast alle für die Forschung benötigten Werte auch von Zürich aus abgelesen werden. “Die Bohrlöcher aber können wir nicht öffnen, schliessen oder Proben daraus entnehmen”, sagt sie. Deshalb reist die Forscherin etwa alle zwei Monate ins Tessin.
Wie sieht Leben aus?
Bei der Suche nach Leben im All und auf der Erde muss man seine Vorstellungen über Lebensformen über den Haufen werfen. Kaum vorstellbar, in kochendem Wasser leben zu können. Doch es gibt tatsächlich Mikroben, die sogar bei noch heisseren Temperaturen überleben und sich fortpflanzen können.
Der Mikrobiologe Thomas BrockExterner Link fand 1966 in einer heissen Quelle des Yellowstone Nationalparks in den USA ein hitzeresistentes Bakterium, das über dem Siedepunkt von Wasser leben kann (Brock verdanken wir den PCR-Test, mit dem eine Sars-Cov-2-Infektion festgestellt werden kann).
Schon während ihrer Studienzeit war Magnabosco fasziniert von Brock. Der Forscher, der letztes Jahr mit 94 Jahren gestorben ist, sei ein grosses Vorbild für sie gewesen. Besonders, weil er auch mit Menschen gesprochen und sich ausgetauscht habe, die weit weg von seinem Gebiet geforscht hätten.
Es sind auch diese interdisziplinären Arbeitsweisen, die Magnaboscos Forschung auszeichnen. Der deutsch-schweizerische Astrophysiker Sascha Quanz, einer der Gründer des Zentrums für den Ursprung und die Verbreitung von Leben, freut sich sehr darauf, mit einer Forscherin zusammenarbeiten zu dürfen, die interdisziplinär unterwegs sei, sagt er. Magnabosco nutzt mit ihrer Forschungsgruppe vieles, was in den Erdwissenschaften noch unüblich ist, zum Beispiel die DNA-Sequenzierung.
Unter dem Mikroskop
Nach der Sequenzierung in einer speziellen Maschine im Labor in Zürich hält Magnabosco ein Plastikfläschchen mit einer Wasserprobe. In einem Milliliter Wasser, das im “BedrettoLab” entnommen wurde, können sich Hunderte bis Zehntausende von mikrobiellen Zellen befinden.
Magnabosco schaltet eine Pumpe ein, die Zellen bleiben daraufhin in einem Filter hängen. Sobald der Filter trocken ist, gibt sie einen Fluoreszenzfarbstoff bei, der sich an die DNA anlagert und sie bei entsprechender Beleuchtung sichtbar macht.
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Die Reise der Mikroben endet bereits im abgedunkelten Raum, auf dem Glasplättchen eines Mikroskops. Kleine grüne Punkte sind auf dem Bildschirm zu erkennen. Es sind Bakterien und Viren. “Punkte zu zählen, ist eine recht einfache Aufgabe, aber wir gewinnen sehr wichtige Informationen daraus”, sagt Magnabosco, während sie das Mikroskop fokussiert.
Zum Beispiel lässt sich anhand dieser Punkte herausfinden, wie sich die biologische Aktivität auf der Erde über Milliarden von Jahren verändert hat – und damit auch ihre Atmosphäre. Es gibt Mikroben, die sich alle 20 Minuten verdoppeln können. Und es gibt solche, die dafür tausend oder sogar zehntausend Jahre brauchen. So können die Forschenden modellieren, wie sich irdisches Leben über die Zeit entwickelt haben könnte.
Weiterentwicklung durch Fehler
Die DNA sind die Bausteine, die Informationen in einem Genom programmieren können; diese Bausteine sind auch in der Lage, sich selbst zu kopieren, um mehr ihrer Art zu erzeugen.
Bei dieser Verdoppelung können sich aber auch Fehler einschleichen. Und das ist für Magnabosco der springende Punkt. Denn erst solche Fehler im Kopiervorgang ermöglichen es, dass sich ein Organismus weiterentwickelt. Und nur jene Mutationen, die den widrigsten Umständen widerstehen können, würden sich schliesslich durchsetzen.
Ein wichtiger Punkt für die Forscherin sind die Rückkopplungen, die zwischen Lebewesen und einem Planeten entstehen, sobald dieser belebt ist. Die Wissenschaft nennt es Koevolution. “Wenn wir uns die Erdgeschichte anschauen, sehen wir, dass sich die Entwicklung des Planeten ganz anders als die seiner Nachbarn vollzieht. Und das liegt an diesen Rückkopplungen zwischen Lebewesen und der Erde”, sagt Magnabosco.
Als Beispiel für eine solche Rückkoppelung nennt sie den Sauerstoff. In der ersten Hälfte der Erdgeschichte lag der Sauerstoffgehalt unterhalb der Nachweisgrenze, er war also praktisch inexistent. Gesteinsaufzeichnungen belegen diesExterner Link. Erst die Photosynthese ermöglichte es der Erde, eine Atmosphäre zu bilden. Und dank dieser entstanden wiederum komplexere Lebensformen.
Wir sind im Stollen kurz etwas ausser Atem geraten, denn wir müssen uns beeilen, um das Postauto zu erreichen. Erst drei Stunden später würde das nächste fahren. In der Baracke vor dem Tunnel legt Magnabosco den Overall in die Plastikkiste für Schmutzwäsche und schliesst ab. Als wir auf das Postauto warten, beginnt es zu regnen. Wasser auf Stein.
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