In der 12. Folge von Cosmos, die am 14.Dezember 1980 ausgestrahlt wurde, führte der Mitschöpfer und Moderator Carl Sagan die Fernsehzuschauer in die gleichnamige Gleichung des Astronomen Frank Drake ein. Damit berechnete er die potenzielle Anzahl fortgeschrittener Zivilisationen in der Milchstraße, die uns mit dem außerirdischen Äquivalent unserer modernen Funkkommunikationstechnologie kontaktieren könnten. Sagans Schätzung reichte von „ein paar erbärmlichen“ bis zu Millionen. „Wenn Zivilisationen sich nicht immer kurz nach der Entdeckung der Radioastronomie selbst zerstören, dann kann der Himmel leise mit Botschaften von den Sternen summen“, intonierte Sagan auf seine unnachahmliche Weise.Sagan war pessimistisch, dass Zivilisationen in der Lage sein würden, ihre eigene technologische „Adoleszenz“ zu überleben — die Übergangszeit, in der die Entwicklung einer Kultur von Kernkraft, Biotechnologie oder einer Vielzahl anderer mächtiger Fähigkeiten leicht zur Selbstvernichtung führen könnte. Im Wesentlichen war er ein Optimist in Bezug auf die Aussichten für pangalaktisches Leben und Intelligenz. Aber die wissenschaftliche Grundlage für seinen Glauben war bestenfalls wackelig. Sagan und andere vermuteten, dass die Entstehung von Leben auf Clement-Welten eine kosmische Unvermeidlichkeit sein muss, weil geologische Beweise darauf hindeuteten, dass es auf der Erde schockierend schnell entstand: vor mehr als vier Milliarden Jahren, praktisch sobald sich unser Planet von seiner feurigen Formation ausreichend abgekühlt hatte. Und wenn, genau wie auf unserer Welt, das Leben auf anderen Planeten schnell entstand und sich im Laufe der Zeit immer komplexer entwickelte, könnten vielleicht auch Intelligenz und Technologie im gesamten Universum verbreitet sein.In den letzten Jahren haben jedoch einige skeptische Astronomen versucht, mehr empirisches Gewicht hinter solche Aussagen zu legen, indem sie eine ausgeklügelte Form der Analyse namens Bayes’sche Statistik verwendeten. Sie haben sich auf zwei große Unbekannte konzentriert: die Wahrscheinlichkeit, dass Leben auf erdähnlichen Planeten unter abiotischen Bedingungen entsteht – ein Prozess, der Abiogenese genannt wird — und von dort aus die Wahrscheinlichkeit, dass Intelligenz entsteht. Selbst mit solchen Schätzungen sind sich die Astronomen nicht einig, was sie für das Leben anderswo im Kosmos bedeuten. Dieser Mangel an Konsens liegt daran, dass selbst die beste Bayes-Analyse nur dann so viel bewirken kann, wenn harte Beweise für außerirdisches Leben und Intelligenz dünn gesät sind.Die Drake-Gleichung, die der Astronom 1961 einführte, berechnet die Anzahl der Zivilisationen in unserer Galaxie, die interstellare Nachrichten über Radiowellen senden oder empfangen können. Es beruht auf der Multiplikation einer Reihe von Faktoren, von denen jeder einen Aspekt unseres Wissens über unsere Galaxie, Planeten, Leben und Intelligenz quantifiziert. Zu diesen Faktoren gehören ƒp, der Anteil der Sterne mit extrasolaren Planeten; ne, die Anzahl der bewohnbaren Planeten in einem extrasolaren System; ƒl, der Anteil der bewohnbaren Planeten, auf denen Leben entsteht; und so weiter.“Zu der Zeit, als Drake es niederschrieb — oder sogar vor 25 Jahren -, könnte fast jeder dieser Faktoren diejenigen gewesen sein, die das Leben sehr selten machen“, sagt Ed Turner, Astrophysiker an der Princeton University. Jetzt wissen wir, dass Welten um Sterne herum die Norm sind und dass solche, die der Erde in Bezug auf Größe, Masse und Sonneneinstrahlung ähnlich sind, ebenfalls üblich sind. Kurz gesagt, es scheint keinen Mangel an galaktischen Immobilien zu geben, die das Leben besetzen könnte. Doch „eine der größten Unsicherheiten in der gesamten Kette von Faktoren ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Leben jemals beginnen würde — dass Sie diesen Sprung von der Chemie zum Leben machen würden, selbst unter geeigneten Bedingungen“, sagt Turner.
Das Ignorieren dieser Unsicherheit kann Astronomen dazu bringen, ziemlich kühne Behauptungen aufzustellen. Zum Beispiel machten Tom Westby und Christopher Conselice, beide an der Universität von Nottingham in England, letzten Monat Schlagzeilen, als sie berechneten, dass es in unserer Galaxie mindestens 36 intelligente Zivilisationen geben sollte, die mit uns kommunizieren können. Die Schätzung basierte auf der Annahme, dass intelligentes Leben auf anderen bewohnbaren erdähnlichen Planeten etwa 4,5 Milliarden bis 5,5 Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung entsteht.“Das ist nur eine sehr spezifische und starke Annahme“, sagt der Astronom David Kipping von der Columbia University. „Ich sehe keine Beweise dafür, dass das eine sichere Wette ist.“
Die Beantwortung von Fragen zur Wahrscheinlichkeit der Abiogenese und zur Entstehung von Intelligenz ist schwierig, da Wissenschaftler nur eine einzige Information haben: das Leben auf der Erde. „Wir haben nicht einmal wirklich einen vollständigen Datenpunkt“, sagt Kipping. „Wir wissen nicht, wann das Leben zum Beispiel auf der Erde entstanden ist. Auch das unterliegt der Unsicherheit.“Ein weiteres Problem bei der Annahme von Annahmen, die auf dem basieren, was wir lokal beobachten, ist die sogenannte Auswahlverzerrung. Stellen Sie sich vor, Sie kaufen Lottoscheine und knacken den Jackpot bei Ihrem 100. Vernünftigerweise können Sie dann eine Wahrscheinlichkeit von 1 Prozent dem Lottogewinn zuweisen. Diese falsche Schlussfolgerung ist natürlich eine Auswahlverzerrung, die entsteht, wenn Sie nur die Gewinner und keinen der Misserfolge befragen (dh die zig Millionen Menschen, die Tickets gekauft, aber nie im Lotto gewonnen haben). Wenn es darum geht, die Wahrscheinlichkeit der Abiogenese zu berechnen, „haben wir keinen Zugang zu den Fehlern“, sagt Kipping. „Deshalb sind wir in einer sehr herausfordernden Position, wenn es um dieses Problem geht.“
Geben Sie die Bayes-Analyse ein. Die Technik verwendet Bayes’Theorem, benannt nach Thomas Bayes, einem englischen Statistiker und Minister des 18. Um die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass ein Ereignis wie die Abiogenese auftritt, berechnen Astronomen zunächst eine wahrscheinliche Wahrscheinlichkeitsverteilung — eine beste Vermutung, wenn man so will. Zum Beispiel kann man annehmen, dass die Abiogenese zwischen 100 Millionen und 200 Millionen Jahren nach der Entstehung der Erde genauso wahrscheinlich ist wie zwischen 200 Millionen und 300 Millionen Jahren nach dieser Zeit oder einem anderen 100 Millionen Jahre alten Teil der Geschichte unseres Planeten. Solche Annahmen werden Bayesian Priors genannt, und sie werden explizit gemacht. Dann sammeln die Statistiker Daten oder Beweise. Schließlich kombinieren sie den Prior und die Evidenz, um eine sogenannte posteriore Wahrscheinlichkeit zu berechnen. Im Falle der Abiogenese wäre diese Wahrscheinlichkeit die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Leben auf einem erdähnlichen Planeten, angesichts unserer vorherigen Annahmen und Beweise. Das Ergebnis ist keine einzelne Zahl, sondern eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die jede Unsicherheit quantifiziert. Es kann zum Beispiel zeigen, dass die Abiogenese mit der Zeit mehr oder weniger wahrscheinlich wird, anstatt eine einheitliche Wahrscheinlichkeitsverteilung zu haben, die vom Prior vorgeschlagen wird.
Im Jahr 2012 Turner und sein Kollege David Spiegel, dann am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, waren die ersten, die rigoros Bayes-Analyse auf Abiogenese anwenden. In ihrem Ansatz entsteht das Leben auf einem erdähnlichen Planeten um einen sonnenähnlichen Stern erst nach einer Mindestanzahl von Jahren, tmin, nach der Entstehung dieser Welt. Wenn das Leben nicht vor einer maximalen Zeit, tmax, entsteht, werden die Bedingungen auf dem Planeten zu feindlich, als dass jemals eine Abiogenese stattfinden könnte, wenn sein Stern altert (und schließlich stirbt). Zwischen tmin und tmax wollten Turner und Spiegel die Wahrscheinlichkeit der Abiogenese berechnen.
Die Forscher arbeiteten für diese Wahrscheinlichkeit mit einigen verschiedenen vorhergehenden Verteilungen. Sie nahmen auch an, dass Intelligenz einige Zeit brauchte, um nach der Abiogenese zu erscheinen.
Angesichts solcher Annahmen, der geophysikalischen und paläontologischen Beweise für die Entstehung des Lebens auf der Erde und was die Evolutionstheorie über die Entstehung intelligenten Lebens aussagt, konnten Turner und Spiegel unterschiedliche posteriore Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Abiogenese berechnen. Obwohl die Beweise dafür, dass das Leben früh auf der Erde erschien, tatsächlich darauf hindeuten könnten, dass die Abiogenese ziemlich einfach ist, haben die Posterioren der Wahrscheinlichkeit keine untere Grenze gesetzt. Die Berechnung „schließt sehr niedrige Wahrscheinlichkeiten nicht aus, was mit Statistiken von einem wirklich gesunder Menschenverstand ist“, sagt Turner. Trotz der raschen Entstehung des Lebens auf der Erde könnte die Abiogenese dennoch ein äußerst seltener Prozess sein.Die Bemühungen von Turner und Spiegel waren der „erste wirklich ernsthafte Bayes’sche Angriff auf dieses Problem“, sagt Kipping. „Ich denke, was ansprechend war, ist, dass sie diese standardmäßige, naive Interpretation der frühen Entstehung des Lebens gebrochen haben.“Trotzdem hielt Kipping die Arbeit der Forscher für nicht ohne Schwächen, und er hat nun versucht, sie mit einer ausgefeilteren Bayesschen Analyse zu korrigieren. Kipping stellt zum Beispiel die Annahme in Frage, dass Intelligenz zu einem bestimmten Zeitpunkt nach der Abiogenese entstanden ist. Dieser Prior, sagt er, könnte ein weiteres Beispiel für Selektionsverzerrungen sein – eine Vorstellung, die von dem evolutionären Weg beeinflusst wird, auf dem unsere eigene Intelligenz entstanden ist. „Im Geiste all deiner Ignoranz, warum gibst du nicht einfach zu, dass du diese Zahl auch nicht kennst?“ Sagt Kipping. „Wenn Sie versuchen abzuleiten, wie lange es dauert, bis Leben entsteht, warum dann nicht gleichzeitig Intelligenz?“Dieser Vorschlag ist genau das, was Kipping versuchte, indem er sowohl die Wahrscheinlichkeit der Abiogenese als auch die Entstehung von Intelligenz schätzte. Für einen Prior wählte er etwas namens Jeffreys Prior, das von einem anderen englischen Statistiker und Astronomen, Harold Jeffreys, entworfen wurde. Es wird gesagt, maximal uninformativ zu sein. Da der Jeffreys Prior nicht in massiven Annahmen backt, belastet er die Beweise stärker. Turner und Spiegel hatten auch versucht, einen uninformativen Prior zu finden. „Wenn Sie wissen wollen, was die Daten Ihnen sagen und nicht, was Sie vorher darüber nachgedacht haben, dann wollen Sie einen uninformativen Prior“, sagt Turner. In ihrer Analyse von 2012 verwendeten die Forscher drei Priors, von denen einer am wenigsten informativ war, aber sie verfehlten die Verwendung von Jeffreys Prior, obwohl sie sich dessen bewusst waren.
In Kipping’s Berechnung konzentrierte sich dieser Prior auf das, was er die „vier Ecken“ des Parameterraums nennt: Leben ist üblich und Intelligenz ist üblich; Leben ist üblich und Intelligenz ist selten; Leben ist selten und Intelligenz ist üblich; und das Leben ist selten, und Intelligenz ist selten. Alle vier Ecken waren gleich wahrscheinlich, bevor die Bayes-Analyse begann.
Turner stimmt zu, dass die Verwendung des Jeffreys Prior ein bedeutender Fortschritt ist. „Es ist der beste Weg, den wir wirklich haben, nur zu fragen, was die Daten Ihnen sagen wollen“, sagt er.Durch die Kombination des Jeffreys Prior mit den spärlichen Beweisen für die Entstehung und Intelligenz des Lebens auf der Erde erhielt Kipping eine posteriore Wahrscheinlichkeitsverteilung, die es ihm ermöglichte, neue Quoten für die vier Ecken zu berechnen. Er fand zum Beispiel heraus, dass das Szenario „Leben ist üblich und Intelligenz ist selten“ neunmal wahrscheinlicher ist, als dass Leben und Intelligenz selten sind. Und selbst wenn Intelligenz nicht selten ist, hat das Life-is-Common-Szenario ein Mindestquotenverhältnis von 9 zu 1. Diese Quoten sind nicht die Art, auf die man das Haus wetten würde, sagt Kipping. „Sie könnten die Wette leicht verlieren.Dennoch ist diese Berechnung „ein positives Zeichen dafür, dass das Leben da draußen sein sollte“, sagt er. „Es ist zumindest ein suggestiver Hinweis darauf, dass das Leben kein schwieriger Prozess ist.“
Nicht alle Bayes’schen Statistiker würden dem zustimmen. Turner interpretiert die Ergebnisse anders. Ja, Kipping’s Analyse legt nahe, dass die offensichtliche frühe Ankunft des Lebens auf der Erde ein Modell begünstigt, in dem Abiogenese üblich ist, mit einem spezifischen Odds Ratio von 9: 1. Diese Berechnung bedeutet jedoch nicht, dass das Modell neunmal wahrscheinlicher ist als das, das besagt, dass Abiogenese selten ist, sagt Turner und fügt hinzu, dass Kipp’s Interpretation „ein bisschen zu optimistisch ist.“Laut Turner, der Kipp’s Arbeit begrüßt, wird selbst die ausgefeilteste Bayes’sche Analyse immer noch Raum für die Seltenheit von Leben und Intelligenz im Universum lassen. „Was wir über das Leben auf der Erde wissen, schließt diese Möglichkeiten nicht aus“, sagt er.
Und es sind nicht nur Bayes’sche Statistiker, die sich mit Kipp’scher Interpretation anfreunden können. Jeder, der sich für Fragen über den Ursprung des Lebens interessiert, wäre skeptisch gegenüber behaupteten Antworten, da eine solche Analyse geologischen, geophysikalischen, paläontologischen, archäologischen und biologischen Beweisen für das Leben auf der Erde verpflichtet ist — von denen keine eindeutig über die Zeitlinien für die Abiogenese und das Auftreten von Intelligenz ist.“Wir haben immer noch Schwierigkeiten zu definieren, was wir unter einem lebenden System verstehen“, sagt Caleb Scharf, Astronom und Astrobiologe an der Columbia University. „Es ist eine rutschige Bestie, in Bezug auf die wissenschaftliche Definition. Das ist problematisch, um eine Aussage zu treffen, wenn Abiogenese stattfindet — oder sogar Aussagen über die Evolution der Intelligenz.“
Wenn wir strenge Definitionen hätten, bleiben die Probleme bestehen. „Wir wissen nicht, ob das Leben begann, stoppte, neu gestartet. Wir wissen auch nicht, ob Leben nur so konstruiert werden kann oder nicht“, sagt Scharf. Wann wurde die Erde für das Leben gastfreundlich? Und wenn es so war, waren die ersten Moleküle dieses „Lebens“ Aminosäuren, RNAs oder Lipidmembranen? Und nachdem das Leben zum ersten Mal entstand, wurde es durch ein kataklysmisches Ereignis zu Beginn der Erdgeschichte ausgelöscht, nur um auf eine möglicherweise andere Weise neu zu starten? „Es gibt eine Menge Unsicherheit“, sagt Scharf.
All diese skizzenhaften Beweise erschweren sogar die Bayes’sche Analyse. Aber als Technik, Es bleibt die am besten geeignete Methode, um mit mehr Beweisen umzugehen – sagen, die Entdeckung von Lebenszeichen, die in der Vergangenheit auf dem Mars existierten, oder in einem der eisbedeckten Jupiter, ozeantragende Monde in der Gegenwart.
„In dem Moment, in dem wir einen anderen Datenpunkt zum Spielen haben, sind die Möglichkeiten, diese zusätzlichen Daten am besten zu nutzen. Plötzlich schrumpfen die Unsicherheiten dramatisch“, sagt Scharf. „Wir müssen nicht unbedingt jeden Stern in unserer Galaxie untersuchen, um herauszufinden, wie wahrscheinlich es ist, dass ein bestimmter Ort Leben beherbergt. Ein oder zwei weitere Datenpunkte, und plötzlich wissen wir im Wesentlichen über das Universum in Bezug auf seine Neigung, Leben oder möglicherweise Intelligenz zu produzieren. Und das ist ziemlich mächtig.”