Es könnte ein Meilenstein auf dem Weg zur Entdeckung des Lebens auf anderen Planeten sein: Wissenschaftler unter der Leitung der Universität Bern und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS entdeckten eine wichtige molekulare Eigenschaft aller Lebewesen aus einem kilometerweit fliegenden Helikopter die Erdoberfläche. Auch die Messtechnik könnte Möglichkeiten für die Fernerkundung der Erde eröffnen.

Linke und rechte Hand sind perfekte Spiegelbilder voneinander. Aber wie auch immer die Drehungen und Drehungen ausgeführt werden, sie können nicht übereinander gelegt werden. Deshalb passt der linke Handschuh einfach nicht so gut in die rechte Hand wie in die linke Hand. In der Wissenschaft wird diese Eigenschaft als Chiralität bezeichnet.

Genau wie Hände können auch Moleküle spiralförmig sein. Tatsächlich sind die meisten Moleküle in den Zellen lebender Organismen, wie beispielsweise die DNA, chirale Moleküle. Im Gegensatz zu Händen, die normalerweise in Links- und Rechtspaaren vorkommen, treten die Lebensteilchen fast ausschließlich entweder in ihrer „links“ oder „rechtshändigen“ Version auf. Sie sind gleich, sagen die Forscher. Warum das so ist, ist noch nicht klar. Aber dieses molekulare Analogon ist ein entscheidendes Merkmal des Lebens, das als Biosignatur bezeichnet wird.

Im Rahmen des MERMOZ-Projekts (siehe Infobox unten) ist es einem internationalen Team unter Leitung der Universität Bern und des Nationalen Zentrums für Effizienz in der NFS-Forschung PlanetS nun gelungen, diese Signatur aus einer Entfernung von zwei Kilometern und einer Geschwindigkeit von 70km/h. „Der große Fortschritt ist, dass diese Messungen in einer bewegten, vibrierenden Plattform durchgeführt wurden und wir diese biometrischen Fingerabdrücke trotzdem innerhalb von Sekunden erfasst haben“, sagt Jonas Kuhn, MERMOZ-Projektleiter an der Universität Bern und Co-Autor der Studie gerade im Journal of Astronomy and Astrophysics veröffentlicht. „.

Ein Werkzeug, das lebende Materie erkennt

„Wenn das Licht von einem biologischen Material reflektiert wird, wandert ein Teil der elektromagnetischen Wellen des Lichts entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn. Dieses Phänomen wird als zirkulare Polarisation bezeichnet und wird durch die Symmetrie des biologischen Materials verursacht“, sagt Erstautor der Studie Lucas Baty, Doktorand am MERMOZ der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS, werden ähnliche Lichtschnecken nicht von der unbelebten abiotischen Natur produziert.

Die Messung dieser zirkularen Polarisation ist jedoch eine Herausforderung. Das Signal ist sehr schwach und macht typischerweise weniger als ein Prozent des reflektierten Lichts aus. Um dies zu messen, entwickelte das Team ein spezielles Gerät namens Spektrometer. Es besteht aus einer Kamera mit speziellen Linsen und Empfängern, die die zirkulare Polarisation vom Rest des Lichts trennen können.

Aber selbst mit einem so empfindlichen Gerät waren bis vor kurzem keine neuen Ergebnisse möglich. „Noch vor 4 Jahren konnten wir das Signal nur aus sehr geringer Entfernung erkennen, etwa 20 cm, und dafür mussten wir den gleichen Ort mehrere Minuten lang überwachen“, erinnert sich Lucas Bate. Aber Verbesserungen an dem von ihm und seinen Kollegen gemachten Instrument ermöglichen eine schnellere und stabilere Detektion, und die Signaturstärke bleibt bei zirkularer Polarisation auch bei Entfernung erhalten. Damit war das Gerät für die allerersten atmosphärischen Zirkularpolarisationsmessungen geeignet.

Nützliche Messungen auf der Erde und im Weltraum

Mit diesem verbesserten Instrument namens FlyPol zeigen sie, dass sie innerhalb von Sekunden nach Messungen Grasfelder, Wälder und städtische Gebiete von einem sich schnell bewegenden Hubschrauber unterscheiden können. Messungen zeigen leicht lebende Materie, die charakteristische Polarisationssignale aufweist, während Methoden beispielsweise keine signifikanten zirkularen Polarisationssignale zeigen. Mit dem aktuellen Setup können sie sogar Signale von Algen in Seen erkennen.

Nach den erfolgreichen Tests wollen die Wissenschaftler nun noch weiter gehen. „Der nächste Schritt, den wir zu unternehmen hoffen, besteht darin, ähnliche Entdeckungen von der Internationalen Raumstation (ISS) mit Blick auf die Erde zu machen. Dies wird es uns ermöglichen, die Möglichkeit zu bewerten, Biosignaturen auf planetarer Ebene zu entdecken. Dieser Schritt wird entscheidend sein, um dies zu ermöglichen.“ die Suche nach Leben in und außerhalb unseres Sonnensystems mithilfe von Polarisation. “, sagt MERMOZ-Forschungsleiter und Co-Autor Brice-Olivier Demory, Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS.

Eine sensible Überwachung dieser zirkularen Polarisationssignale ist nicht nur für zukünftige Missionen zur Erkennung von Leben wichtig. Lucas Bate erklärt: „Da das Signal direkt mit der molekularen Beschaffenheit des Lebens und damit seiner Funktionsweise zusammenhängt, kann es auch wertvolle ergänzende Informationen in der Erdfernerkundung liefern.“ Es kann beispielsweise Auskunft über Abholzung oder Pflanzenkrankheiten geben. Es könnte sogar möglich sein, eine zirkulare Polarisation bei der Überwachung von giftigen Algenblüten, Korallen und deren Auswirkungen durch Versauerung zu implementieren.

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SAINT-EX – Exoplaneten finden und charakterisieren

Die Forschungsgruppe SAINT-EX (gefördert von SNF-Professor Brice Olivier Demory) konzentriert sich auf:

• Nachweis erdgroßer Exoplaneten der gemäßigten Klimazone (SAINT-EX-Observatorium),
• Fernerkundung des Lebens in Atmosphären/Oberflächen von Planeten (Mermoz),
• Geräte zur nicht-invasiven In-vivo-Krebsdiagnose und -Staging (BrainPol).

Das MERMOZ-Projekt (Monitoring Plan for Surface Features Modern Amplified Characteristics) zielt darauf ab, zu untersuchen, ob wir das Leben auf der Erde aus dem Weltraum identifizieren und charakterisieren können, indem eine modulare Bibliothek von Oberflächenmerkmalssignaturen mithilfe der vollständigen Stokes-Telepolarisationsspektrometrie aufgebaut wird. In diesem Rahmen wird unser Planet als Stellvertreter für andere Körper des Sonnensystems und Exoplaneten betrachtet.

MERMOZ ist ein Gemeinschaftsprojekt der Universitäten Bern, Leiden und Delft (Niederlande).
Die Machbarkeitsstudie des Projekts wird vom Center for Space and Habitat (CSH) und dem NFS PlanetS finanziert.

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NFS PlanetS: Forschung auf einem Planeten Made in Switzerland

2014 verlieh der Schweizerische Nationalfonds der Universität Bern den National Center for Competence in Research (NFS) PlanetS, den er in Zusammenarbeit mit der Universität Genf betreibt.

Seit ihrer Teilnahme an der ersten Mondlandung 1969 beteiligt sich die Universität Bern an Weltraummissionen großer Weltraumorganisationen wie ESA, NASA, ROSCOSMOS und JAXA. Derzeit leitet sie gemeinsam mit der Universität Genf die CHEOPS-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Zudem sind Berner Forschende weltweit führend, wenn es um Modelle und Simulationen zur Entstehung und Entwicklung von Planeten geht.

Mit der Entdeckung des ersten Exoplaneten hat sich die Universität Genf als eine der führenden Institutionen auf diesem Gebiet etabliert. Dies führte zum Beispiel 2003 zum Bau und zur Installation des HARPS-Spektrometers am 3,6-Meter-Teleskop der ESO auf La Silla unter dem Kommando von Genf. Es folgte das ESPRESSO-Instrument am ESO-VLT-Teleskop in Paranal. Das CHEOPS Scientific Operations Center befindet sich ebenfalls in Genf.

Die ETH Zürich und die Universität Zürich sind Partnerinstitutionen des NFS PlanetS. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Bereichen Astrophysik, Datenverarbeitung und Geowissenschaften leiten Projekte und leisten wichtige Beiträge zur Forschung des NFS PlanetS. Zudem ist die ETH bei der Instrumentierung für verschiedene Observatorien und Weltraummissionen weltweit führend.
Der NFS PlanetS ist in folgende Forschungsbereiche gegliedert:

• Frühe Stadien der Planetenentstehung تكوين
• Engineering, Entstehung und Evolution planetarer Systeme
• Atmosphäre, Oberflächen und innere Planeten
• Bewohnbarkeit von Planeten bestimmen.

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Weltraumforschung in Bern: Mit der Weltelite seit der ersten Mondlandung

Als der zweite Mann, „Buzz“ Aldrin, am 21. Juli 1969 aus der Mondlandefähre auftauchte, bestand seine erste Aufgabe darin, das Berner Solar Wind Formation (SWC) Experiment, auch bekannt als „Sonnenwindsegel“, durch Implantation in aufzubauen das Land des Mondes, bis vor der amerikanischen Flagge. Dieses Experiment, das von Professor Dr. Johannes Gess und seinem Team vom Physikalischen Institut der Universität Bern geplant und analysiert wurde, war das erste grosse Ereignis in der Geschichte der Weltraumforschung in Bern.

Seitdem gehört die Weltraumforschung in Bern zur Weltelite. Die Universität Bern beteiligt sich an Weltraummissionen großer Weltraumorganisationen wie ESA, NASA, ROSCOSMOS und JAXA. Derzeit leitet sie gemeinsam mit der Universität Genf die CHEOPS-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Zudem sind Berner Forschende weltweit führend, wenn es um Modelle und Simulationen zur Entstehung und Entwicklung von Planeten geht.

Die erfolgreiche Arbeit des Departements Weltraumforschung und Planetologie (WP) des Physikalischen Instituts der Universität Bern wurde durch den Aufbau eines universitären Kompetenzzentrums, dem Center for Space and Habitat (CSH), weiter gestärkt. Der Schweizerische Nationalfonds der Universität Bern hat zudem den National Center for Competence in Research (NFS) PlanetS ausgezeichnet, den er in Zusammenarbeit mit der Universität Genf leitet.

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Referenz: „Biological Footprints of Earth I. Airborne Tropical Spectroscopic Detection of Phototrophic Life“ von CHL Patty, J. G. Kuhn, P. H. Lambrev, S. Spadaccia, H. J. Hoeijmakers, C. Keller, W. Mulder, V. Pallichadath und O. Poch , F. Snik, D. M. Stam, A. Pommerol und B. O. Demory, akzeptiert, Astronomie und Astrophysik.
DOI: 10.1051 / 0004-6361 / 202140845