Wer heute auf dem Mars nach Leben sucht, sucht möglicherweise am falschen Ort, wenn er nur auf seine Oberfläche blickt. Dort ist der Planet kalt, trocken und einer Strahlung ausgesetzt, die organische Moleküle über lange Zeiträume zerstören kann. Flüssiges Wasser ist unter dem geringen Luftdruck kaum dauerhaft stabil, und die dünne Atmosphäre bietet fast keinen Schutz vor energiereicher Strahlung aus dem All. Für Leben, wie wir es von der Erde kennen, sieht der Mars deshalb zunächst wie ein denkbar schlechter Ort aus. Doch schon wenige Zentimeter oder Meter unter der Oberfläche verändern sich einige dieser Bedingungen. Je tiefer man gelangt, desto besser wird das Material vor Strahlung geschützt. Eis ist auf dem Mars weit verbreitet, Salz kann den Gefrierpunkt von Wasser stark herabsetzen und im Untergrund könnten Bereiche existieren, in denen Wasser zumindest zeitweise flüssig bleibt. Deshalb gehört die Vorstellung einer unterirdischen Marsbiosphäre inzwischen nicht mehr in den Bereich der Science-Fiction. Sie ist eine wissenschaftlich untersuchte Möglichkeit. Allerdings bislang ohne jeden direkten Nachweis.

Die eigentliche Frage lautet deshalb nicht, ob bereits Mikroorganismen unter dem Marsboden gefunden wurden. Das ist nicht der Fall. Entscheidend ist, ob es auf dem heutigen Mars überhaupt noch Nischen geben könnte, in denen Leben über Milliarden Jahre überdauert hat. Sollte der Planet in seiner frühen Geschichte tatsächlich Mikroorganismen hervorgebracht haben, wäre der Untergrund möglicherweise einer der letzten Orte, an denen ihre Nachfahren noch existieren könnten.

Warum die Oberfläche so lebensfeindlich ist

Vor Milliarden Jahren besaß der Mars Flüsse, Seen und zeitweise deutlich günstigere Umweltbedingungen. Heute befindet sich an seiner Oberfläche kaum noch dauerhaft flüssiges Wasser. Die durchschnittlichen Temperaturen liegen weit unter denen der Erde, die Atmosphäre besteht überwiegend aus Kohlendioxid und ihr Druck beträgt nur einen kleinen Bruchteil des irdischen Luftdrucks.

Besonders problematisch ist die Strahlung. Der Mars besitzt heute kein globales Magnetfeld wie die Erde und nur eine dünne Atmosphäre. Kosmische Strahlung und energiereiche Teilchen können daher wesentlich tiefer in seine Oberfläche eindringen. Ultraviolette Sonnenstrahlung trifft den oberen Boden praktisch ungebremst. Für komplexe organische Verbindungen und Mikroorganismen ist das über lange Zeiträume zerstörerisch.

Hinzu kommt die Chemie des Marsbodens. Dort wurden unter anderem Perchlorate nachgewiesen. Diese Salze sind für viele irdische Organismen problematisch und können unter bestimmten Bedingungen stark oxidierend wirken. Die heutige Oberfläche kombiniert damit mehrere Stressfaktoren gleichzeitig: Kälte, Trockenheit, Strahlung, geringe Luftdichte und aggressive Chemie.

Das bedeutet jedoch nicht, dass der gesamte Planet bis in große Tiefe genauso aussieht.

Schon wenige Meter Tiefe machen einen Unterschied

Gestein ist ein erstaunlich wirksamer Strahlenschutz. Je weiter man sich von der unmittelbaren Marsoberfläche entfernt, desto stärker wird die energiereiche Strahlung abgeschirmt. Genau deshalb interessieren sich Astrobiologen so sehr für den Untergrund.

Organische Moleküle, die an der Oberfläche möglicherweise längst zerstört wurden, könnten dort wesentlich länger erhalten bleiben. Gleiches würde für mögliche Mikroorganismen gelten. Ein Lebensraum müsste deshalb nicht komfortabel sein. Für extrem angepasste Organismen wäre es bereits ein großer Vorteil, wenn sie vor der stärksten Strahlung geschützt wären und gelegentlich Zugang zu flüssigem Wasser hätten.

Die Europäische Weltraumorganisation ESA hat genau aus diesem Grund den Rover Rosalind Franklin mit einem Bohrer ausgestattet, der Proben aus bis zu etwa zwei Metern Tiefe gewinnen soll. Das ist für eine Marsmission ungewöhnlich tief. Bisherige Lander und Rover haben den Untergrund bei der Suche nach organischen Stoffen nur vergleichsweise oberflächlich untersucht. Die ESA betrachtet den Bereich unterhalb der Oberfläche deshalb ausdrücklich als einen der vielversprechendsten Orte, um besser erhaltene organische Moleküle und mögliche Biosignaturen zu finden. Der Start der Mission ist derzeit für 2028 vorgesehen.

Zwei Meter sind für eine mögliche tiefe Marsbiosphäre noch immer nicht viel. Sie markieren jedoch den Übergang von einer ständig bestrahlten Oberfläche in einen erheblich geschützteren Bereich.

Das Wasserproblem

Ohne flüssiges Wasser wird Leben nach allen bisherigen Erfahrungen schwierig. Auf der Erde existiert kein bekanntes dauerhaft aktives biologisches System, das vollständig darauf verzichten kann. Mars besitzt zwar enorme Mengen Wassereis, aber Eis allein ermöglicht keinen Stoffwechsel.

Interessant werden deshalb Situationen, in denen Wasser zumindest zeitweise flüssig sein könnte.

Salze spielen dabei eine wichtige Rolle. Wasser mit gelösten Salzen gefriert bei niedrigeren Temperaturen als reines Wasser. Bestimmte auf dem Mars vorhandene Salze können Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnehmen und dabei konzentrierte Salzlösungen bilden. Solche sogenannten Brinen könnten unter geeigneten Bedingungen zeitweise flüssig bleiben, obwohl die Umgebungstemperatur weit unter null Grad Celsius liegt.

Neuere Untersuchungen beschäftigen sich deshalb gezielt mit möglichen flüssigen Salzlösungen wenige Zentimeter oder Meter unter der Marsoberfläche. Modellierungen und Beobachtungen lassen darauf schließen, dass in bestimmten Regionen zumindest vorübergehend Bedingungen entstehen könnten, unter denen solche Flüssigkeiten existieren. Das bedeutet nicht, dass dort tatsächlich kleine unterirdische Seen liegen. Häufig geht es eher um sehr geringe Mengen salzhaltiger Flüssigkeit zwischen Mineralteilchen.

Für Mikroorganismen könnte theoretisch aber bereits eine solche dünne Wasserphase interessant sein.

Allerdings gibt es einen Haken. Je salziger eine Lösung ist, desto schwieriger wird sie für Leben. Salz entzieht Zellen Wasser und stört biologische Prozesse. Auf der Erde existieren trotzdem sogenannte Halophile, die in extrem salzhaltigen Seen und Salzbecken leben. Sie zeigen, dass hohe Salzkonzentrationen Leben nicht grundsätzlich ausschließen. Irgendwann wird jedoch auch für die widerstandsfähigsten bekannten Organismen eine Grenze erreicht.

Ob Marsbrinen innerhalb oder außerhalb dieser biologischen Grenze liegen, hängt stark von ihrer Zusammensetzung, Temperatur und verfügbaren Wassermenge ab.

Auf der Erde lebt erstaunlich viel tief unter unseren Füßen

Die Vorstellung von Leben tief unter einer scheinbar lebensfeindlichen Oberfläche wirkt weniger exotisch, wenn man betrachtet, was auf der Erde gefunden wurde. Mikroorganismen leben kilometerweit unter Kontinenten, tief im Meeresboden, in Salzablagerungen und in Gesteinsporen, die niemals Sonnenlicht erreichen.

Diese Organismen leben nicht von Photosynthese. Manche gewinnen ihre Energie aus chemischen Reaktionen zwischen Wasser und Gestein, aus Wasserstoff, Schwefelverbindungen, Eisen oder anderen Stoffen. Einige wachsen so langsam, dass ihre Lebenszyklen mit denen von Organismen an der Oberfläche kaum vergleichbar sind.

Für die Marsforschung sind diese Lebensgemeinschaften deshalb außerordentlich wichtig. Sie zeigen, dass Leben weder Sonne noch Pflanzen noch eine warme Oberfläche benötigt. Voraussetzung ist vielmehr eine nutzbare Energiequelle, geeignete Chemie und zumindest eine geringe Menge verfügbaren Wassers.

Sollte im frühen Mars Leben entstanden sein, könnte es sich beim Verlust der warmen und feuchten Oberflächenbedingungen immer weiter in den Untergrund zurückgezogen haben. Dort hätte es theoretisch Nischen finden können, die deutlich länger stabil blieben.

Das ist eine Hypothese. Es gibt derzeit keinen Fund, der zeigt, dass genau das tatsächlich geschehen ist.

Könnte der Mars aus seinem Inneren noch Energie liefern?

Eine unterirdische Biosphäre benötigt nicht nur Wasser, sondern auch Energie. Sonnenlicht steht tief unter der Marsoberfläche nicht zur Verfügung. Doch die Erde zeigt, dass geologische Prozesse biologische Systeme versorgen können.

Besonders interessant ist eine Reaktion namens Serpentinisierung. Dabei reagieren bestimmte Gesteine mit Wasser und können unter anderem Wasserstoff erzeugen. Auf der Erde können Mikroorganismen diesen Wasserstoff als Energiequelle nutzen. Vergleichbare Gesteinsarten existieren auch auf dem Mars, und es gibt Hinweise darauf, dass Wasser-Gesteins-Reaktionen dort stattgefunden haben.

Auch natürliche Radioaktivität im Gestein kann Wasser aufspalten und dadurch Moleküle erzeugen, die Mikroorganismen nutzen könnten. In der tiefen irdischen Biosphäre spielen solche Prozesse eine Rolle. Aktuelle Forschung untersucht deshalb, ob vergleichbare Energiequellen auch im Marsuntergrund langfristig vorhanden sein könnten.

Der Mars muss dafür nicht geologisch so aktiv sein wie die Erde. Selbst langsame chemische Reaktionen könnten für Organismen reichen, die extrem wenig Energie benötigen.

Höhlen und Lavaröhren als mögliche Zufluchtsorte

Neben tiefem Gestein gelten auch Höhlen und Lavaröhren als interessante Umgebungen. Auf dem Mars existieren große Vulkanregionen, in denen Lava in der Vergangenheit unter einer bereits erstarrten Oberfläche weiterfloss. Nachdem der Lavastrom endete, konnten hohle Tunnel zurückbleiben.

Solche Lavaröhren könnten mehrere Vorteile besitzen. Ihre Decken schützen vor ultravioletter und kosmischer Strahlung, Temperaturschwankungen wären geringer als an der offenen Oberfläche und in bestimmten Bereichen könnten sich Eis oder Feuchtigkeit erhalten haben.

Auf der Erde werden vulkanische Höhlen deshalb als Analoggebiete für Marsmissionen untersucht. In ihnen existieren Mikroorganismen, obwohl kaum Licht vorhanden ist und die Bedingungen nährstoffarm sein können.

Ob marsianische Lavaröhren tatsächlich Wasser und lebensfreundliche chemische Bedingungen enthalten, wissen wir nicht. Viele dieser Hohlräume wurden bislang lediglich aus dem Orbit anhand von Einsturzöffnungen erkannt. Kein Rover ist bisher in eine solche Struktur hineingefahren und hat dort nach Leben gesucht.

Gerade deshalb gehören sie zu den interessanten Zielen zukünftiger Marsforschung.

Leben unter Eis?

Eine weitere Möglichkeit liegt wesentlich näher an der Oberfläche. 2024 untersuchte ein Forscherteam, ob in staubhaltigem Wassereis auf dem Mars Bereiche entstehen könnten, in denen Sonnenlicht tief genug eindringt, um Photosynthese zu ermöglichen, während das Eis gleichzeitig vor einem großen Teil der schädlichen ultravioletten Strahlung schützt.

Das Modell beschreibt keinen bereits bekannten Lebensraum. Es zeigt vielmehr, dass bestimmte Eisschichten in mittleren Breiten theoretisch sogenannte radiativ habitable Zonen besitzen könnten. Staub im Eis würde Sonnenenergie absorbieren und möglicherweise kleine Mengen Schmelzwasser entstehen lassen. Gleichzeitig könnte darüberliegendes Eis die gefährlichsten Anteile der UV-Strahlung abschirmen.

Auf der Erde gibt es vergleichbare Mikroumgebungen in Eis und Schnee, in denen Algen und Mikroorganismen leben.

Ob solche Bedingungen heute tatsächlich auf dem Mars vorkommen, ist ungeklärt. Die Studie zeigt aber, dass mögliche Lebensräume nicht zwangsläufig kilometerweit tief liegen müssten. Schon der geschützte Bereich unter einer Eisdecke könnte theoretisch interessant sein.

Und was ist mit dem Methan?

Kaum ein Thema hat die Suche nach gegenwärtigem Marsleben so stark beschäftigt wie Methan. Auf der Erde stammt ein großer Teil des Methans aus biologischen Prozessen. Mikroorganismen, sogenannte Methanogene, können das Gas produzieren, ohne Sauerstoff zu benötigen. Genau solche Organismen leben unter anderem in sauerstofffreien Sedimenten und tiefen Untergrundsystemen.

Deshalb sorgten Hinweise auf Methan in der Marsatmosphäre für erhebliches Aufsehen.

Curiosity hat im Gale-Krater geringe Methankonzentrationen gemessen und zeitweise Schwankungen beobachtet. Andere Messinstrumente lieferten jedoch ein schwierigeres Bild. Der europäisch-russische Trace Gas Orbiter, der besonders empfindlich nach Spurengasen sucht, konnte Methan in höheren Atmosphärenschichten nicht in den Konzentrationen nachweisen, die aufgrund einiger Oberflächenmessungen erwartet worden waren.

Bis heute ist deshalb nicht eindeutig geklärt, wie die unterschiedlichen Ergebnisse zusammenpassen.

Selbst wenn Methan zweifelsfrei aus dem Marsboden austritt, wäre damit noch kein Leben bewiesen. Das Gas kann ebenfalls durch geologische Reaktionen entstehen. Für die Astrobiologie wäre entscheidend, seine Quelle zu bestimmen.

Eine unterirdische mikrobielle Gemeinschaft wäre eine mögliche Erklärung. Sie ist aber derzeit nur eine von mehreren.

Wie tief müsste man eigentlich bohren?

Hier beginnt ein praktisches Problem der Marsforschung. Wenn mögliches heutiges Leben mehrere Meter, hundert Meter oder sogar Kilometer tief lebt, sind unsere bisherigen Rover kaum in der Lage, es zu erreichen.

Rosalind Franklin soll bis zu zwei Meter tief bohren. Das ist für den Schutz organischer Moleküle bereits ein großer Fortschritt, aber möglicherweise noch weit von einem aktiven tiefen Lebensraum entfernt.

Wissenschaftler diskutieren daher Missionskonzepte mit wesentlich tieferen Bohrungen. Technisch ist das äußerst schwierig. Eine Bohranlage muss zum Mars transportiert werden, autonom funktionieren und darf ihre Proben nicht mit irdischem Material verunreinigen. Gleichzeitig steigt mit der Tiefe der Energie- und Gerätebedarf.

Auf der Erde werden tiefe Biosphären häufig über Bohrlöcher erschlossen, die Kilometer in Gestein hineinreichen. Vergleichbare Untersuchungen auf dem Mars liegen derzeit weit außerhalb dessen, was ein gewöhnlicher Rover leisten kann.

Es könnte deshalb sein, dass der wissenschaftlich interessanteste Teil des Mars bislang schlicht unerreichbar geblieben ist.

Würden irdische Mikroben dort überhaupt überleben?

Laborversuche zeigen ein widersprüchliches, aber interessantes Bild. Bestimmte extremophile Mikroorganismen und Pilze können einzelne marsähnliche Belastungen erstaunlich gut ertragen. Einige überstehen hohe Salzkonzentrationen, starke Trockenheit, Kälte oder erhöhte Strahlung wesentlich besser als gewöhnliche Organismen.

Das bedeutet nicht, dass man sie auf dem Mars aussetzen könnte und sie dort einfach weiterleben würden. Die Kombination aller Umweltbedingungen ist wesentlich härter als einzelne Laborbelastungen.

Doch Extremophile zeigen, wie weit Leben seine Grenzen verschieben kann. Besonders interessant sind Organismen, die gleichzeitig mit Perchloraten und ionisierender Strahlung zurechtkommen. Untersuchungen solcher Mikroben dienen nicht dazu, Marsleben zu beweisen, sondern die möglichen Grenzen eines hypothetischen Lebensraums abzuschätzen.

Ein marsianischer Organismus hätte darüber hinaus Milliarden Jahre Zeit gehabt, sich an seine eigene Umwelt anzupassen. Er müsste deshalb nicht dieselben Grenzen besitzen wie ein zufällig ausgewähltes irdisches Bakterium.

Das größte Problem: Wir haben dort noch kaum gesucht

So widersprüchlich es klingt: Nach Jahrzehnten der Marsforschung ist die Suche nach heutigem Leben im tiefen Untergrund noch erstaunlich wenig fortgeschritten.

Rover haben fantastische geologische Untersuchungen durchgeführt. Sie haben frühere Seen rekonstruiert, organische Moleküle gefunden und Gesteine analysiert, die mögliche Biosignaturen enthalten. Doch diese Missionen bewegen sich fast ausschließlich auf der Oberfläche und untersuchen Material aus sehr geringer Tiefe.

Wir haben keine hundert Meter tiefe Marsbohrung. Wir haben kein Labor in einer Marslavaröhre. Wir haben kein Wasser aus einem tiefen Aquifer untersucht. Wir haben keine Probe aus einem kilometertiefen Gesteinsbruch.

Wenn es dort Leben gibt, wäre es deshalb durchaus möglich, dass keine bisherige Mission auch nur in seine Nähe gekommen ist.

Das macht die Hypothese zugleich wissenschaftlich interessant und schwer überprüfbar.

Was spricht dafür – und was dagegen?

Für die Möglichkeit unterirdischen Lebens spricht vor allem die Geschichte des Planeten. Der frühe Mars besaß über längere Zeit Wasser und grundsätzlich bewohnbare Umgebungen. Unter der Oberfläche wäre Leben später besser vor Strahlung und extremen Temperaturschwankungen geschützt gewesen. Eis ist heute in großen Gebieten des Planeten vorhanden, mögliche Salzlösungen werden weiterhin untersucht und geochemische Prozesse könnten Energie bereitstellen.

Gegen gegenwärtiges Leben spricht, dass bislang keinerlei direkter biologischer Nachweis gelungen ist. Es gibt keine marsianische Zelle, keinen bestätigten Stoffwechsel und keine eindeutige Biosignatur eines heute lebenden Organismus. Auch die mögliche Existenz flüssigen Wassers im heutigen Untergrund ist je nach Region und Tiefe wissenschaftlich umstritten. Viele denkbare Salzlösungen wären zudem so kalt oder konzentriert, dass selbst extreme irdische Mikroorganismen dort Schwierigkeiten hätten.

Deshalb wäre es falsch zu behaupten, der Mars besitze wahrscheinlich eine verborgene Biosphäre.

Ebenso voreilig wäre jedoch die Behauptung, der gesamte Planet sei heute definitiv steril.

Vielleicht liegt der interessanteste Mars nicht an seiner Oberfläche

Fast alle Bilder, die wir vom Mars kennen, zeigen dieselbe Welt: rote Ebenen, Krater, Staub, Felsen und einen fahlen Himmel. Diese Landschaft hat unser Bild des Planeten geprägt. Doch biologisch könnte sie ausgerechnet der uninteressanteste Bereich sein.

Falls Leben auf dem frühen Mars entstanden ist und den dramatischen Wandel des Planeten überlebt hat, wäre ein Rückzug in den Untergrund plausibel. Dort könnten Gestein und Eis Schutz bieten, geringe Mengen Wasser vorhanden sein und chemische Reaktionen Energie liefern.

Ob irgendwo tatsächlich Mikroorganismen leben, wissen wir nicht.

Der entscheidende Unterschied zur Suche nach längst ausgestorbenem Marsleben besteht deshalb darin, dass wir für heutiges Leben möglicherweise nicht nur bessere Messgeräte brauchen. Wir müssen tiefer gelangen.

Rosalind Franklin wird mit seinem Bohrer einen ersten wichtigen Schritt machen. Künftige Missionen könnten Eisschichten, Höhlen oder wesentlich tiefere Gesteinsbereiche untersuchen. Vielleicht werden sie nichts finden und zeigen, dass auch der Untergrund steril ist. Vielleicht entdecken sie nur besser erhaltene Spuren einer längst verschwundenen Biosphäre.

Oder vielleicht stellt sich eines Tages heraus, dass der Mars nie völlig aufgehört hat, ein bewohnter Planet zu sein.

Nur dass sein letzter Lebensraum dort liegt, wo wir bislang kaum hingesehen haben.

Quellen
▪︎ European Space Agency (ESA) – ExoMars Programme und Rosalind Franklin Rover
▪︎ European Space Agency (ESA) – ExoMars Factsheet und wissenschaftliche Ziele der Untergrundbohrung
▪︎ European Space Agency (ESA) – Oxia Planum und Tonminerale am geplanten Landeplatz von Rosalind Franklin
▪︎ A. R. Khuller et al. – Potential for photosynthesis on Mars within snow and ice, Communications Earth & Environment
▪︎ Nature Communications – Near-surface liquid water on Mars inferred from seasonal observations
▪︎ Nature Communications – An organics-forward approach to searching for life on Mars
▪︎ npj Biofilms and Microbiomes – Untersuchungen zur Widerstandsfähigkeit von Mikroorganismen gegenüber Perchloraten und ionisierender Strahlung unter marsähnlichen Bedingungen
▪︎ Scientific Reports – Wachstum von Mikroorganismen in Marsregolith-Simulaten unter extremen Umweltbedingungen
▪︎ Science Advances – Studien zur tiefen irdischen Biosphäre und geochemischen Energiequellen in Gesteinssystemen
▪︎ Committee on Space Research (COSPAR) – Planetary Protection Policy
▪︎ NASA Astrobiology – Deep Subsurface Environments as Analogs for Possible Martian Habitats
▪︎ NASA Mars Exploration Program – Habitability, Subsurface Water and Search for Life
▪︎ Mars Science Laboratory / Curiosity – Methanmessungen im Gale-Krater
▪︎ ExoMars Trace Gas Orbiter – Untersuchungen von Methan und anderen Spurengasen in der Marsatmosphäre