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5. Solen auf dem Mars

In dieser Lektion werden wir uns damit beschäftigen, wie gesättigte Salzlösungen die Bewohnbarkeit des Mars beeinflussen.

Zur Erinnerung: Lehrernotizen, Präsentationen und alle Inhalte können zur Anpassung und Verwendung in Ihrem Klassenzimmer heruntergeladen werden. Vergessen Sie nur nicht, uns als Quelle anzugeben (siehe “Nutzung der Ressourcen”).

Übersicht

Lernergebnisse:

Gliederung der Aktivität: Verstehen Sie übersättigte Salzlösungen und wie sie die Bewohnbarkeit eines anderen Planeten beeinflussen können.

Nach Abschluss dieser Aktivität können die SchülerInnen:

• Verstehen, wie die Kristallisation funktioniert.
• erklären können, wie man gesättigte und übersättigte Lösungen erhält.
• in der Lage sein, zu erklären, wie gesättigte Salzlösungen die Bewohnbarkeit beeinflussen.

Hintergrundmaterial:

Einführung in die Sättigung

Um dies zu verstehen, müssen wir zunächst einige Begriffe klären. Kann mir jemand kurz erklären, was unter einer gesättigten Lösung zu verstehen ist?

(Antworten nehmen)

Der Sättigungspunkt ist der Punkt, an dem die maximale Menge einer Verbindung in einer Lösung aufgelöst wurde. So können beispielsweise 357 g Natriumchlorid (oder Kochsalz) in 1 Liter Wasser gelöst werden, bevor der Sättigungspunkt bei einer Konzentration von etwa 26,3 % erreicht ist. Der Sättigungspunkt wird natürlich von vielen Faktoren wie Druck und Temperatur beeinflusst. 

Super-Sättigung

In dem soeben angeführten Beispiel wird von einer Wassertemperatur von 20 °C ausgegangen, was in etwa der Raumtemperatur entspricht. Durch die Erwärmung des Wassers kann jedoch mehr von einer bestimmten Substanz gelöst werden, wodurch ein Übersättigungsprodukt entsteht.

Bei 100 °C kann Wasser 390 g Salz lösen, das sind 33 g mehr als in unserem Beispiel mit 20 °C.

Puna-Hochebene, Argentinien

Nachdem wir nun ein wenig verstanden haben, wie diese Mechanismen funktionieren, können wir uns dem Mars zuwenden. Man geht davon aus, dass es in der Geschichte des Mars einen Punkt gab, an dem es gesättigte Salzseen gab. Um zu untersuchen, ob diese Seen für frühes Leben auf dem Mars lebensfähig gewesen wären, werden analoge Standorte auf der Erde genutzt.

Ein solcher Vergleichsstandort ist die Laguna Negra, ein flacher See auf der Puna-Hochebene in Nordargentinien. Diese Umgebung ist mit Kalziumchloridsalzen gesättigt. Dies stellt eine sehr raue Umgebung für das Leben dar.

Wie bewohnbar könnte Laguna Negra Ihrer Meinung nach sein?

Diskutiert in euren Gruppen, ob ihr glaubt, dass es in der Laguna Negra tatsächlich Leben gibt.

(Nehmen Sie sich Zeit für eine Diskussion)

(Antworten nehmen)

In der Laguna Negra wurde tatsächlich mikrobielles Leben nachgewiesen; diese Lebensformen sind halophil und gedeihen in salzreichen Umgebungen.

Kristallisation

Metallsalze wie Calciumchlorid und Natriumchlorid liegen häufig in kristalliner Form vor.  Kristallisation ist der (natürliche oder künstliche) Prozess, durch den sich ein Feststoff bildet, dessen Atome oder Moleküle in einer als Kristall bekannten Struktur hochgradig organisiert sind. Kristalle entstehen unter anderem durch Ausfällung aus einer Lösung, durch Gefrieren oder seltener durch direkte Abscheidung aus einem Gas.

Hier sehen Sie ein Diagramm, das die Molekularstruktur eines Salzkristalls zeigt. Ihre hoch organisierte Struktur führt dazu, dass kristalline Verbindungen vergleichsweise stark sind. So bestehen beispielsweise sowohl Graphit in Bleistiften als auch Diamanten aus reinem Kohlenstoff, und dennoch lässt sich Graphit zwischen den Fingerspitzen zerdrücken, während Diamanten zu den härtesten Substanzen in der Natur gehören.  Dies ist auf ihre molekulare Anordnung zurückzuführen.

Video: Wie sieht die Kristallisation aus?

Übersättigungen können sehr leicht zur Bildung von Kristallen führen, wenn sie die Lösung verlassen.Hier haben wir ein Video, das das Ausgießen einer übersättigten Natriumacetatlösung zeigt: 

Video-Hintergrundinformationen: Natriumacetat ist eine ionische Verbindung, die aus Natriumkationen, Na⁽⁺⁾ , und Acetat-Ionen, C H O₂₃₂^(-) , besteht. Wie die meisten Acetate weist es eine hohe Löslichkeit in Wasser auf: 76 g lösen sich in 100 ml bei 0 °C. Die Löslichkeit nimmt jedoch bei höheren Temperaturen erheblich zu. Die Ausfällung eines Feststoffs aus einer Lösung führt zu einer Abnahme der Unordnung im System. Das heißt, in der Lösung bewegen sich die Ionen frei in zufälligen Richtungen und weisen daher eine hohe Unordnung auf. Wenn sich die Ionen zu festen Kristalliten verbinden, wird ihre Bewegungsfreiheit eingeschränkt. Die Wissenschaftler bezeichnen dies als eine Abnahme der Entropie oder Unordnung des Systems. Die Gesetze der Thermodynamik besagen, dass ein Prozess, bei dem die Entropie spontan abnimmt, wie z. B. die Ausfällung eines Festkörpers aus einer Lösung, auch Wärme freisetzen muss. Folglich erwärmt sich die Einführung eines festen Natriumacetat-Kristallits selbst, wenn das Natriumacetat aus der Lösung ausfällt.

Was ist passiert? Warum?

Diskutiert bitte in euren Gruppen, was ihr in diesem Video beobachtet und warum ihr glaubt, dass dies passiert ist.

(Nehmen Sie sich Zeit für eine Diskussion)

(Antworten nehmen)

Rückblick

Nach dieser Lektion sollten die Schüler in der Lage sein, diese Fragen zu beantworten: 

• Können Sie den Mechanismus der Kristallisation erklären? 
• Wie kommt es zu gesättigten und übersättigten Lösungen?
• Wie wirken sich gesättigte Salzlösungen auf die Bewohnbarkeit aus?

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4. Chemie auf dem Mars

In dieser Lektion befassen wir uns mit der Chemie des Mars und damit, wie sich diese auf seine mögliche Bewohnbarkeit auswirken kann.

Zur Erinnerung: Lehrernotizen, Präsentationen und alle Inhalte können zur Anpassung und Verwendung in Ihrem Klassenzimmer heruntergeladen werden. Vergessen Sie nur nicht, uns als Quelle anzugeben (siehe “Nutzung der Ressourcen”).

Übersicht

Lernergebnisse:

Gliederung der Aktivität: Verstehen, wie die Chemie des Marsbodens die Bewohnbarkeit des Roten Planeten beeinflussen kann. Dazu wird genauer untersucht, wie Temperatur und Salzgehalt die Chemie des Mars beeinflussen können.

Nach Abschluss dieser Aktivität können die SchülerInnen:

• Verstehen, welche Auswirkungen die Temperatur auf die Chemie des Mars hat.
• In der Lage sein zu erklären, wie der Salzgehalt den Gefrierpunkt beeinflusst.
• Überprüfen Sie, wie sich all diese Faktoren auf die Bewohnbarkeit auswirken.

Hintergrundmaterial:

.CO₂ auf dem Mars – Atmosphäre

Zunächst werden wir uns mit der Marsatmosphäre befassen.  Die Luft auf dem Mars ist viel dünner als die Luft, die wir hier auf der Erde atmen. Die Dichte der Erdatmosphäre beträgt etwa 1,2 kg/M³  , während die Atmosphäre auf dem Mars nur 0,02 kg/M³   beträgt – mehr als 50 Mal dünner.

Die Marsatmosphäre unterscheidet sich auch in ihrer chemischen Zusammensetzung erheblich von unserer eigenen. Die Erdatmosphäre besteht aus etwa 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 1 % Argon, 0,04 % Kohlendioxid und geringen Mengen anderer Gase. Die Luft enthält auch eine variable Menge an Wasserdampf, im Durchschnitt etwa 1 % auf Meereshöhe und 0,4 % in der gesamten Atmosphäre. In krassem Gegensatz dazu besteht die Marsatmosphäre zu 96 % aus Kohlendioxid.

Einführung in die CO₂

Werfen wir nun einen Blick auf Kohlendioxid. Kohlendioxid ist ein doppelt kovalent gebundenes Molekül, das aus zwei Sauerstoffatomen besteht, die an ein Kohlenstoffatom gebunden sind, so dass wir insgesamt vier gebundene Elektronen haben.  Kohlendioxid kommt hier auf der Erde normalerweise als Gas vor, aber bei -80 °C gefriert es zu einer festen Verbindung, die allgemein als Trockeneis bekannt ist. Festes Kohlendioxid ist an den Polen des Mars zu finden, wo es auf Temperaturen von bis zu -120 °C fallen kann. Diese Regionen, die als Permafrostböden bekannt sind, enthalten auch Wassermoleküle (aber darauf kommen wir später noch zu sprechen).Kohlendioxid hat einige interessante Eigenschaften: Ein Beispiel dafür ist, dass es nur unter hohem Druck eine flüssige Phase bildet. Ohne diesen Druck geht es in einem Prozess, der als Sublimation bekannt ist, von einem Feststoff in ein Gas über.

Video: Trockeneis-Sublimation

Hier ist ein Video, das dies in Aktion zeigt:

Video-Hintergrundinformationen: Sublimation ist der Übergang eines Stoffes direkt vom festen in den gasförmigen Zustand, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen. Die Sublimation ist ein endothermer Prozess, der bei Temperaturen und Drücken unterhalb des Tripelpunkts eines Stoffes in seinem Phasendiagramm stattfindet, was dem niedrigsten Druck entspricht, bei dem der Stoff als Flüssigkeit existieren kann. Der umgekehrte Prozess der Sublimation ist die Deposition oder De-Sublimation, bei der ein Stoff direkt von einer gasförmigen in eine feste Phase übergeht. Sublimation wird auch als Oberbegriff für einen Übergang von der festen in die gasförmige Phase (Sublimation) und einen anschließenden Übergang von der gasförmigen in die feste Phase (Deposition) verwendet. Ein Übergang von Flüssigkeit zu Gas wird als Verdampfung bezeichnet, wenn er unterhalb des Siedepunkts der Flüssigkeit stattfindet, und als Sieden, wenn er am Siedepunkt stattfindet. Beim Übergang von Feststoffen zu Gasen gibt es jedoch keine solche Unterscheidung, er wird immer als Sublimation bezeichnet.

Subglazialer See auf dem Mars

Obwohl die Temperatur an den Polen des Mars leicht niedrig genug für die Ablagerung von Trockeneis ist, gibt es Theorien, dass sich unter dem Eis Seen mit Wasser befinden könnten. Dies wurde in den letzten 30 Jahren als Möglichkeit diskutiert, dann zwischen dem 29. Mai 2012 und dem 27. Dezember 2015. Eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) (MARSIS-Instrument auf Mars Express) untersuchte ein 200 km breites Gebiet des Planum Australe am Südpol des Mars. Dabei wurde eine sonarähnliche Technik eingesetzt, um Informationen über die Zusammensetzung des Permafrosts zu sammeln.  Es wurde ein Gebiet untersucht, das anomale Eigenschaften aufwies; hier ist ein Bild der Daten, die bei dieser Untersuchung gesammelt wurden.

Übersichtsdiagramme

Diskutiert in euren Gruppen, ob ihr glaubt, dass dies genug Beweise sind, um die Behauptung eines Flüssigwassersees zu rechtfertigen. Wie könnte ein solcher See in einem so kalten Klima existieren?

(Nehmen Sie sich Zeit für eine Diskussion)

(Antworten nehmen)

Salze und Gefrierpunkte von Wasser

Ob es einen subglazialen See gibt oder nicht, steht noch zur Debatte. Eine vorgeschlagene Erklärung für seine Existenz ist jedoch der hohe Salzgehalt. Natriumchlorid oder Tafelsalz wurde oft zum Räumen von Eis verwendet – man denke nur an den Einsatz von Streusalz auf Straßen im Winter.

Video über Salze und Gefrierpunkt

Hier ist ein Video über ein Experiment, bei dem das Gefrieren von Wasser und Salzwasser mit Hilfe von Trockeneis verglichen wird: 

Video-Hintergrundinformationen: Salz (NaCl) löst sich in Wasser in seine Ionen auf, Na⁺ und Cl^– . Die Ionen diffundieren durch das Wasser und hindern die Wassermoleküle daran, sich eng genug zusammenzufinden und in der richtigen Ausrichtung zu organisieren, um eine feste Form (Eis) zu bilden. Eis absorbiert Energie aus seiner Umgebung, um den Phasenübergang von fest zu flüssig zu vollziehen. Dies könnte dazu führen, dass reines Wasser wieder gefriert, aber das Salz im Wasser verhindert, dass es zu Eis wird. Allerdings wird das Wasser kälter als es war. Die Temperatur kann unter den Gefrierpunkt von reinem Wasser sinken.

Die Zugabe von Verunreinigungen zu einer Flüssigkeit senkt deren Gefrierpunkt. Die Art der Verbindung spielt keine Rolle, aber die Anzahl der Teilchen, in die sie in der Flüssigkeit zerfällt, ist wichtig. Je mehr Teilchen entstehen, desto stärker wird der Gefrierpunkt gesenkt. Wenn man also Zucker in Wasser auflöst, sinkt auch der Gefrierpunkt des Wassers. Zucker löst sich einfach in einzelne Zuckermoleküle auf, so dass seine Auswirkung auf den Gefrierpunkt geringer ist als bei Zugabe einer gleichen Menge Salz, das in zwei Teilchen zerfällt. Salze, die in mehr Teilchen zerfallen, wie Magnesiumchlorid (MgCl₂ ), haben eine noch größere Auswirkung auf den Gefrierpunkt. Magnesiumchlorid löst sich in drei Ionen auf – ein Magnesiumkation und zwei Chloridanionen.

Diskutieren Sie, was passiert ist? Warum?

Was haben Sie in diesem Video beobachtet? Diskutiert in euren Gruppen und gebt Feedback.

(Zeit für eine Diskussion einplanen)

(Antworten nehmen)

Kangerlussuaq-Feld

Die Forscher hoffen, mehr Informationen über diese Möglichkeit zu erhalten, indem sie Analogien auf der Erde untersuchen. Eines der besten Analoga für die Pole des Mars sind Gebiete wie Kangerlussuaq in Grönland. Grönland ist die größte Insel der Welt und mehr als drei Viertel seiner Oberfläche sind von der einzigen permanenten Eisschicht außerhalb der Antarktis bedeckt. Es ist daher eine der wenigen wirklich extremen kryogenen Umgebungen auf der Erde, die dennoch relativ leicht zugänglich ist.

Kangerlussuaq liegt an der Westküste Grönlands und ist eine der am besten zugänglichen Regionen der Insel mit einem internationalen Flughafen. Von dort aus kann man das Gletschereis und weite Permafrostgebiete erreichen.

Könnte Leben in Kangerlussuaq oder einem unterirdischen See auf dem Mars existieren?

Glauben Sie, dass Leben entweder in Kangerlussuaq oder in den möglichen unterirdischen Seen auf dem Mars existieren könnte? Bitte diskutiert in euren Gruppen.

(Zeit für eine Diskussion einplanen)

(Antworten nehmen).

Rückblick

Nach dieser Lektion sollten die Schüler in der Lage sein, diese Fragen zu beantworten: 

• Welchen Einfluss hat Salz auf den Gefrierpunkt von Wasser?
• Was ist Trockeneis? Was ist Permafrost?
• Wie wirkt sich die Chemie auf dem Mars auf die Bewohnbarkeit aus?

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3. Vulkane auf dem Mars

In dieser Lektion werden wir uns mit den Vulkanen des Mars beschäftigen und damit, wie sie im Laufe der Geschichte zur Bewohnbarkeit des Roten Planeten beigetragen haben könnten.

Zur Erinnerung: Lehrernotizen, Präsentationen und alle Inhalte können zur Anpassung und Verwendung in Ihrem Klassenzimmer heruntergeladen werden. Vergessen Sie nur nicht, uns als Quelle anzugeben (siehe “Nutzung der Ressourcen”).

Übersicht

Lernergebnisse:

Gliederung der Aktivität: Verstehen, wie Vulkane auf der Erde und auf dem Mars entstehen und wie sie die Bewohnbarkeit des Mars in der Vergangenheit beeinflusst haben könnten.

Nach Abschluss dieser Aktivität können die SchülerInnen:

• Verstehen, wie Vulkane entstehen.
• Erklären können, was Konvektion ist und warum man sie in einem Vulkan findet.
• Begründen Sie, wie wahrscheinlich es ist, dass vulkanische Gebiete bewohnbar sind.

Hintergrundmaterial:

Arten von Vulkanen

Um die Vulkane auf dem Mars zu verstehen, müssen wir uns zunächst ansehen, was wir über Vulkane auf der Erde wissen. Es gibt drei Hauptkategorien, in die Vulkane eingeteilt werden können:

• Zusammengesetzte Vulkane
• Schlackenkegelvulkane
• Schildvulkane

Ein Verbundvulkan, auch Stratovulkan genannt, ist ein kegelförmiger Vulkan, der aus vielen Schichten von Lava, Bimsstein, Asche und Tephra besteht. Da sie aus Schichten zähflüssigen Materials und nicht aus flüssiger Lava aufgebaut sind, bilden Vulkane aus Verbundwerkstoffen eher hohe Gipfel als runde Kegel. Einige der spektakulärsten Vulkane der Erde sind zusammengesetzte Vulkane, wie der Vulkan Mayon auf den Philippinen, der Mount Fuji in Japan und der Mount Rainier in den Vereinigten Staaten von Amerika. Einige dieser zusammengesetzten Vulkane erheben sich 2-3 Tausend Meter über den Meeresspiegel.

Schlackenkegelvulkane sind die einfachste Art von Vulkanen. Sie entstehen aus Partikeln und Klumpen erstarrter Lava, die aus einem einzigen Schlot ausgestoßen werden. Wenn die gasbeladene Lava heftig in die Luft geschleudert wird, zerbricht sie in kleine Fragmente, die sich verfestigen und als Schlacke um den Schlot herum fallen und einen kreisförmigen oder ovalen Kegel bilden.

Schließlich gibt es noch die Schildvulkane. Sie haben ihren Namen von ihrem niedrigen Profil und sind viel breiter als hoch, wodurch sie dem Schild eines Kriegers ähneln. Diese Vulkane entstehen durch intensive Hitze und bestehen fast ausschließlich aus Eruptionen niedrigviskoser Lava, die viel leichter fließt.

Olympus Mons: Schildvulkan

Der größte Vulkan im Sonnensystem befindet sich auf dem Mars. Er heißt Olympus Mons und ist ein Schildvulkan. Er ist 25 km hoch und hat einen atemberaubenden Durchmesser von 624 km. Der Olympus Mons ist so breit, dass er sich von der Westküste Frankreichs bis zu seiner Ostgrenze erstreckt.

Video: Wie entstehen Schildvulkane?

Hier ist ein Video, das die Entstehung des Olympus Mons anhand von Eruptionen von geschmolzenem Kerzenwachs veranschaulicht: 

Hintergrundinformationen zum Video: Es wird angenommen, dass der Olympus Mons seine Größe aufgrund der fehlenden tektonischen Bewegung auf dem Mars erreicht hat, was mehrere Ausbrüche aus einer einzigen Spalte ermöglichte. Mit jeder Eruption und der anschließenden Verfestigung der Lavaströme nahm der Vulkan an Größe zu. Diese mehrfachen Eruptionen haben ein charakteristisches Streifenmuster auf dem Vulkan hinterlassen, wobei jeder Streifen einen separaten Ausbruch darstellt. Im Video sehen wir Beispiele für diese Muster, die sich im Wachs bilden.

Island Feld

Natürlich war es bisher nicht möglich, diesen Vulkan aus nächster Nähe zu untersuchen. Deshalb nutzen wir hier auf der Erde analoge Standorte auf dem Planeten, wie die vulkanisch aktive Umgebung Islands.

Island verdankt einen großen Teil seiner Landschaft seinen vulkanischen Aktivitäten, was es zu einer faszinierenden Fallstudie über vulkanische Prozesse macht. Island verfügt über zahlreiche geothermische Felder. Einige davon liegen in der Nähe von Reykjavik, z. B. Krýsuvík. In all diesen Feldern gibt es verschiedene geothermische Quellen: Wasserbecken, die durch die unterirdische Wärme der Erde erwärmt werden. Durch die Erwärmung haben alle Quellen eine Temperatur von 60 bis 95 °C.

Konvektion

Bei der Untersuchung vulkanischer Prozesse ist es wichtig zu verstehen, wie Wärme durch Flüssigkeiten übertragen wird. Dieser Mechanismus ist als Konvektion bekannt. Wenn ein Fluid, z. B. Luft oder eine Flüssigkeit, erhitzt wird und sich dann von der Quelle wegbewegt, nimmt es die Wärmeenergie mit. Die Flüssigkeit über einer heißen Oberfläche dehnt sich aus, verliert an Dichte und steigt nach oben.

Video: Wie funktioniert die Konvektion?

Hier ist ein Video, das die Konvektion veranschaulicht: 

Leben auf dem Mars?

Da wir nun die grundlegenden Mechanismen von Vulkanen kennen, diskutieren Sie bitte in Gruppen (3 oder 4 Personen), ob Sie glauben, dass Leben in einer solchen Umgebung existieren könnte. Bitte begründen Sie Ihren Standpunkt in der Diskussion.

(Lassen Sie Zeit für eine Diskussion, und nehmen Sie dann die Antworten entgegen, indem Sie die SchülerInnen um Erklärungen für ihre Antworten bitten)

Es ist wahrscheinlich, dass ein Großteil der Klasse zu dem Schluss gekommen wäre, dass Leben in solchen Umgebungen nicht existieren kann, da sich die meisten ihrer Erfahrungen auf komplexe mehrzellige Organismen beziehen. Einige Schüler haben vielleicht die Fähigkeit einiger Mikroorganismen angesprochen, in extremen Umgebungen zu überleben.

Was ist mit Mikroorganismen?

Wir wenden uns nun den Mikroorganismen zu (wie einige von Ihnen angedeutet haben). Es gibt viele Arten von Leben, die diese Bedingungen überleben können. Diese Organismen sind extrem widerstandsfähig, und es gibt Arten, die als extremophil bekannt sind und die diese rauen Umgebungen nicht nur überleben können, sondern sie für ihr Überleben benötigen. Ein solches Beispiel ist das Bakterium Thermus aquaticus. Zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung glaubte man, dass Mikroorganismen bei Temperaturen von über 50 °C nicht überleben können. Thermus aquaticus, das in einer heißen Quelle in der Caldera des Supervulkans im Yellowstone-Nationalpark entdeckt wurde, kann jedoch Temperaturen von bis zu 80 °C überleben (obwohl es bei Temperaturen zwischen 65 und 70 °C am besten wächst).

Rückblick

Nach dieser Lektion sollten die Schüler in der Lage sein, diese Fragen zu beantworten: 

• Was für ein Vulkan ist der Olympus Mons und wie ist er vermutlich entstanden?
• Was ist Konvektion (ggf. mit Hilfe einer Videodemonstration)?
• Welche Art von Leben könnte in einem Vulkan existieren?

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2. Eine kurze Geschichte des Mars

In dieser Lektion werden wir uns mit der Geschichte des Mars befassen, um herauszufinden, ob er jemals eine geeignete Heimat für Leben, wie wir es hier auf der Erde kennen, gewesen sein könnte.

Zur Erinnerung: Lehrernotizen, Präsentationen und alle Inhalte können zur Anpassung und Verwendung in Ihrem Klassenzimmer heruntergeladen werden. Vergessen Sie nur nicht, uns als Quelle anzugeben (siehe “Nutzung der Ressourcen”).

Übersicht

Lernergebnisse:

Gliederung der Aktivität: Untersuchen Sie, wie sich der Mars im Laufe seiner Geschichte verändert hat und wie sich dies auf die Bewohnbarkeit des Roten Planeten auswirken könnte.

Nach Abschluss dieser Aktivität können die SchülerInnen:

• Verstehen, wie sich der Mars im Laufe der Zeit verändert hat.
• Stellen Sie Hypothesen darüber auf, wie sich dies auf seine Bewohnbarkeit ausgewirkt hat.
• Ziehen Sie eine Schlussfolgerung darüber, in welcher Epoche der Marsgeschichte am ehesten Leben möglich war.

Hintergrundmaterial:

Mars-Zeitleiste

Die geologische Geschichte des Mars lässt sich in vier große Zeitabschnitte unterteilen:

• Die Prä-Noachische
• Das Noachische
• Der Hesperianer
• Das Amazonasgebiet

Vor-Noachisches Zeitalter

Zunächst beginnen wir mit der Prä-Noachischen Ära. Diese Epoche reicht von der Entstehung des Mars vor 4,5 Milliarden Jahren bis vor 4,1 Milliarden Jahren. Zu diesem Zeitpunkt hatte der Mars eine extrem dichte Atmosphäre und große, heiße Meere. Gegen Ende dieser Ära begann die dichte Atmosphäre zu erodieren, was dazu führte, dass die riesigen Ozeane des Mars abkühlten.

Glauben Sie, dass nach dem, was wir über die späten pränoachischen Meere wissen, dies ein geeigneter Ort für die Entwicklung des Lebens, wie wir es kennen, wäre?

(Antworten nehmen)

Was passiert mit dem Wasser auf dem Mars ohne Atmosphäre?

Hier ist ein Video, das zeigt, was mit den riesigen Ozeanen des Mars passiert ist: 

Hintergrundinformationen zum Video: Dieses Video zeigt den Zusammenhang zwischen Druck und Siedepunkt. Mit abnehmendem Druck sinkt auch der Siedepunkt einer Flüssigkeit. Dies liegt in der Natur der Materie begründet. Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihre Moleküle genügend kinetische Energie haben, um in Form von Dampf in die Atmosphäre zu entweichen. Die Temperatur von Materie ist ein Maß für ihre Energie – auf Meereshöhe auf der Erde liegt der Siedepunkt von Wasser bei 100 °C. Je niedriger der Druck auf eine Flüssigkeit ist, desto weniger kinetische Energie ist für die Verdampfung des Stoffes erforderlich, was bedeutet, dass sein Siedepunkt niedriger ist.

Denkt in Gruppen über Folgendes nach…

Diskutieren Sie in Gruppen, welche Auswirkungen der Druck des modernen Mars auf Ihren Körper hätte, und bedenken Sie dabei, dass der menschliche Körper insgesamt zu etwa 70 % aus Wasser besteht (wobei einige Organe zu 90 % aus Wasser bestehen!).

(Zeit für Gruppendiskussion einplanen)

(Antworten nehmen)

Mögliche richtige Antworten sind das Sieden von Speichel, Blut, Gehirn, Augen, zellulärem Zytoplasma, die Ausdehnung von Lufteinschlüssen wie der Lunge und das Bersten von geschlossenen Systemen wie Bronchien und Blutgefäßen

Noachisches Zeitalter

Zweitens werden wir uns mit der Noachischen Ära beschäftigen, die vor 4,1 bis 3,7 Milliarden Jahren stattfand. Dies war eine Zeit extremer vulkanischer Aktivität auf der Marsoberfläche. Kochend heiße Asche und Gase strömten in die Atmosphäre, verdichteten sie noch einmal und ermöglichten die Bildung von Seen in Kratern und Becken auf der Oberfläche. Diese dichte Asche- und Gaswolke erwärmte den Mars ebenfalls erheblich.

Region Tharsis

Hier ist ein Gebiet, das die Narben dieser Zeitperiode zeigt, die Region Tharsis. Tharsis ist ein riesiges vulkanisches Plateau in der Nähe des Äquators auf der westlichen Hemisphäre des Mars. Die Region beherbergt die größten Vulkane des Sonnensystems, darunter die drei riesigen Schildvulkane: Arsia Mons, Pavonis Mons und Ascraeus Mons, die zusammen als Tharsis Montes bekannt sind. Weiter unten auf diesem Bild können wir auch Alba Mons und den größten bekannten Vulkan im Sonnensystem, Olympus Mons, sehen.

Danakil-Senke,Äthiopien

Ein gutes Analogon für die Tharsis-Region auf dem Mars ist die Danakil-Senke in Äthiopien. Die Danakil-Senke liegt an der dreifachen Kreuzung dreier tektonischer Platten und hat eine komplexe geologische Geschichte. Sie hat sich durch das Auseinanderdriften von Afrika und Asien entwickelt, was zu Rifting und vulkanischer Aktivität führte. Erosion, Überschwemmungen durch das Meer und das Heben und Senken des Bodens haben zur Entstehung dieser Senke beigetragen. Sedimentgestein wie Sandstein und Kalkstein wird von Basalt überlagert, der aus ausgedehnten Lavaströmen entstanden ist.

Hesperianisches Zeitalter

Als Nächstes kommen wir in die Hesperianische Ära, die vor 3,7 bis 2,9 Milliarden Jahren stattfand. Zu diesem Zeitpunkt begann sich auf der Erde gerade das Leben zu entwickeln, während auf dem Mars die Durchschnittstemperatur des Planeten zu diesem Zeitpunkt stark abnahm. Von diesem Zeitpunkt an herrschte auf dem Mars ein sehr kaltes Klima mit Durchschnittstemperaturen von etwa -60 °C und Tiefsttemperaturen von bis zu -120 °C in Richtung der Pole. Hinzu kommt, dass das Substrat des Mars durch die Ablagerung von Schwefeldioxid aus früheren Vulkanausbrüchen sauer geworden ist. Zu diesem Zeitpunkt in der Geschichte des Mars ist das meiste verbliebene Wasser in Permafrost und unterirdischem Eis eingeschlossen.

Amazonaszeitalter

Schließlich kommen wir zum aktuellen geologischen Zeitabschnitt des Mars, dem Amazonas-Zeitalter. Diese erstreckt sich über mehr als die Hälfte der Zeit, die der Mars existiert, nämlich von vor 2,9 Milliarden Jahren bis heute. Zu diesem Zeitpunkt ist der Mars ein eiskaltes, unfruchtbares Ödland, das mit giftigen Salzen bedeckt ist und aufgrund seiner dünnen Atmosphäre mit ultravioletter Strahlung bombardiert wird.

Bewohnbarkeit

Der Mars hat sich in den letzten 4,5 Milliarden Jahren enorm verändert, aber welche dieser Epochen hätte Ihrer Meinung nach am ehesten Leben beherbergen können? Diskutiert in euren Gruppen.

(Nehmen Sie sich Zeit für eine Diskussion)

(Antworten nehmen)

Rückblick

Nach dieser Lektion sollten die Schüler in der Lage sein, diese Fragen zu beantworten: 

• Wie unterscheidet sich der Mars heute von dem, was er vor über 4 Milliarden Jahren war?
• Was sind einige der Herausforderungen, die hypothetische Marsmenschen zu bewältigen gehabt hätten?
• Wann wäre der Mars wohl am bewohnbarsten gewesen?

Und schließlich: Glauben Sie, dass es auf dem Roten Planeten Leben gibt?

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1. Extremophile und extreme Umgebungen

Eine Einführung in das Leben in extremen Umgebungen, wobei untersucht wird, welche Art von Belastungen wir auf dem Mars vorfinden könnten und wie sich das Leben anpassen kann, um diese zu überleben. 

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Übersicht

Lernergebnisse:

Nach Abschluss dieser Aktivität können die SchülerInnen:

• Verstehen, dass sich Zellen verändern können, um sich an extreme Umgebungen anzupassen.
• Erklären Sie die Funktion einer Zellmembran.
• Abschätzung, wie sich die Belastungen.

Hintergrundmaterial:

Was ist eine extreme Umwelt?

Eine extreme Umgebung ist eine Umgebung, von der man früher annahm, dass sie kein Leben beherbergen kann. Heutige Arbeiten in den Bereichen Mikrobiologie und Astrobiologie haben gezeigt, dass dies in vielen Fällen eine falsche Annahme war. Extreme Umgebungen herrschen unter harten Bedingungen wie extremen hohen und niedrigen Temperaturen, hohem Salzgehalt, extremen Säuren oder Basen und sogar einem Mangel an verfügbaren Nährstoffen.

Beispiele für extreme Umgebungen auf der Erde

Die Untersuchung extrem überlebensfähiger Organismen auf der Erde, wie z. B. Bärtierchen (auch als Wasserbären bekannt), wird häufig mit der Untersuchung der Bewohnbarkeit von Umgebungen auf anderen Himmelskörpern des Sonnensystems in Verbindung gebracht. Lebewesen, die in extremen Umgebungen überleben können, werden im Allgemeinen als extremophile oder extrem-tolerante Organismen eingestuft. Ein extremophiler Organismus gedeiht sehr gut in extremen Umgebungen und benötigt deren raue Bedingungen, um zu wachsen. Ein extremtoleranter Organismus kann in extremen Umgebungen überleben, wächst aber besser unter weniger rauen Bedingungen. 

Es gibt viele Beispiele für extreme Umgebungen hier auf der Erde. Ein Beispiel für zwei Umgebungen, die auf den ersten Blick unterschiedlich erscheinen mögen, sind eine Tundra und eine Wüste, aber diese beiden Umgebungen werden beide als extrem angesehen, und zwar auf ganz ähnliche Weise. Sie weisen beide extreme Temperaturen auf, wenn auch an entgegengesetzten Extremen zu den Temperaturen auf der Erde. In beiden Umgebungen ist auch die Verfügbarkeit von Nährstoffen und trinkbarem Wasser begrenzt.

Viele Umgebungen hier auf der Erde bieten daher eine hervorragende Gelegenheit für Studien, die es uns ermöglichen, uns an Umgebungen anderswo im Sonnensystem anzunähern. Diese Gebiete werden aufgrund ihrer Analogie zu außerirdischen Umgebungen oft als Planetenfeldanaloge bezeichnet.

In den meisten Fällen sind die anpassungsfähigsten Organismen, die am ehesten überleben (oder sogar gedeihen), die einfachsten.  

Woraus bestehen die Zellen?

Aus diesem Grund wenden wir uns den Einzellern (Mikroorganismen) zu, der einfachsten Form des Lebens auf der Erde. Verschaffen wir uns ein grundlegendes Verständnis einer Zelle: Dieses Diagramm zeigt eine tierische Zelle, und auf dem Diagramm sind drei Elemente einer Zelle beschriftet, die für diese Diskussion wichtig sein werden. Es gibt das Zytoplasma, die Flüssigkeit im Inneren der Zelle, den Zellkern, in dem sich der Großteil der DNA befindet, und schließlich die Zellmembran, die alles zusammenhält.

Bedeutung der Zellmembran

Man kann sich die Zellmembran leicht wie eine Tüte oder eine Plastikfolie vorstellen, aber in Wirklichkeit ist sie semipermeabel. Das bedeutet, dass sie einige Dinge wie Nährstoffe und Wasser durchlässt, anderen Dingen aber den Zutritt verwehrt. Auch unsere Haut ist halbdurchlässig. Wenn Ihre Finger über einen längeren Zeitraum im Wasser liegen, werden sie deshalb faltig. Das ist auch der Grund, warum manche Stoffe sogar bei Berührung giftig sein können.

Anpassungen an die Zellmembran sind einer der wichtigsten Faktoren, die darüber entscheiden, ob ein Mikroorganismus in einer bestimmten Umgebung überleben kann oder nicht.

Video zur semipermeablen Membran

Das folgende Video veranschaulicht, wie die Semi-Permeabilität funktionieren kann: 

Hintergrundinformationen zum Video: In diesem Video haben wir ein Marmeladenglas mit einem engmaschigen Netz über dem Deckel verwendet. Wenn das Glas auf den Kopf gestellt wird, verhindert der Luftdruck, dass das Wasser herausfließt. Größere Gegenstände, wie z. B. ein Bleistift, können das Netz nicht durchdringen und werden daher von der “Membran” zurückgehalten, während ein kleinerer Gegenstand, wie z. B. ein Zahnstocher, in die “Zelle” eindringen kann und keinen “Widerstand” erfährt.

Was könnte mit Zellen unter marsähnlichen Bedingungen geschehen?

Was glaubt ihr, was mit einer Zelle auf der Marsoberfläche passieren würde, nachdem was ihr über den Planeten Mars wisst?  Bitte diskutiert in Gruppen.

(Zeit für Gruppendiskussion einplanen)

(Antworten nehmen)

Eine Zelle kann durch viele der Bedingungen auf dem Mars beeinträchtigt werden. Die Schülerinnen und Schüler könnten erwähnen, dass die Zelle aufgrund der niedrigen Temperaturen gefrieren könnte, einer hohen Strahlung ausgesetzt ist oder durch den niedrigen Druck oder die Salzkonzentration auf der Marsoberfläche beeinträchtigt wird.

Experiment Eimembran

Hier ist ein Video eines Experiments, bei dem rohe Eier ohne Schale als Analogon für eine Zelle verwendet und verschiedenen extremen Umgebungen ausgesetzt werden: 

Hintergrundinformationen zum Video: Bei einem entschälten Ei funktioniert das Analogon so: Der Dotter stellt den Zellkern dar, das Conalbumin das Zytoplasma und die Membran natürlich die Zellmembran. Ziel des Experiments ist es, die Auswirkungen verschiedener Extrembedingungen auf die simulierte Zelle zu beobachten und festzustellen, ob die Membran in der Lage ist, den negativen Auswirkungen dieser Bedingungen zu widerstehen. Die Membran hat niedrigen Temperaturen nicht standgehalten und ist durchgefroren. Daraus lässt sich schließen, dass sie auch den hohen Temperaturen nicht standgehalten hätte und durchgekocht wäre. Die Membran zeigte auch eine teilweise Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Salz.

Was ist passiert? Warum?

Was haben Sie in diesem Video beobachtet? Diskutiert in euren Gruppen und gebt Feedback.

(Nehmen Sie sich Zeit für eine Diskussion)

(Antworten nehmen)

Wie könnte sich dies auf die Bewohnbarkeit auswirken?

Die Eier mögen diesen Bedingungen nicht standgehalten haben, aber auf der Erde hat sich Leben entwickelt, das in der Lage ist, diesen Bedingungen und größeren Extremen zu widerstehen.

Diskutieren Sie bitte in Gruppen, ob Sie es für möglich halten, dass Leben auf der Marsoberfläche überleben kann.

(Zeit für Gruppendiskussion einplanen)

(Antworten nehmen)

Rückblick

Nach dieser Lektion sollten die Schüler in der Lage sein, die folgenden Fragen zu beantworten:

• Was können Zellen tun, um sich an eine extreme Umgebung anzupassen?
• Warum ist eine Zellmembran wichtig?

Wie könnten sich die extremen Bedingungen auf dem Mars auf die Zellen auswirken?

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