Verteidigung gegen Strahlung

Die Sonne ist eine wichtige Strahlungsquelle für das Leben auf der Erde. klicken um zu vergrößern
Raumfahrt hat ihre Gefahren. Einige Tiere und Pflanzen haben eine Schutzhülle oder Pigmentierung entwickelt, aber einige Formen von Bakterien können tatsächlich Schäden an ihrer DNA durch Strahlung reparieren. Zukünftige Raumfahrer könnten diese Techniken nutzen, um den Schaden zu minimieren, den sie durch Langzeitbelichtung erhalten.

In Star Wars- und Star Trek-Filmen reisen Menschen mühelos zwischen Planeten und Galaxien. Aber unsere Zukunft im Weltraum ist alles andere als gesichert. Abgesehen von Hyperantrieb und Wurmlöchern scheint es nicht möglich zu sein, dass der menschliche Körper einer längeren Exposition gegenüber der harten Strahlung des Weltraums standhält.

Strahlung kommt aus vielen Quellen. Sonnenlicht erzeugt einen Wellenlängenbereich von langwelligem Infrarot bis kurzwelligem Ultraviolett (UV). Hintergrundstrahlung im Weltraum besteht aus energiereichen Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und kosmischen Strahlen, die alle die Zellen in unserem Körper zerstören können. Da solche ionisierende Strahlung leicht in Wände und Raumanzüge von Raumfahrzeugen eindringt, müssen Astronauten heute ihre Zeit im Weltraum begrenzen. Aber selbst für kurze Zeit im Weltraum zu sein, erhöht die Wahrscheinlichkeit, an Krebs, Katarakten und anderen strahlenbedingten Gesundheitsproblemen zu erkranken, erheblich.

Um dieses Problem zu lösen, finden wir möglicherweise einige nützliche Tipps in der Natur. Viele Organismen haben bereits wirksame Strategien entwickelt, um sich vor Strahlung zu schützen.

Lynn Rothschild vom NASA Ames Research Center sagt, dass Strahlung immer eine Gefahr für das Leben auf der Erde war und das Leben daher Wege finden musste, damit umzugehen. Dies war besonders wichtig in den frühesten Jahren der Erde, als die Zutaten für das Leben zum ersten Mal zusammenkamen. Da unser Planet anfangs nicht viel Sauerstoff in der Atmosphäre hatte, fehlte ihm auch eine Ozonschicht (O3), um schädliche Strahlung auszublenden. Dies ist ein Grund, warum viele glauben, dass das Leben unter Wasser entstanden ist, da Wasser die schädlicheren Wellenlängen des Lichts herausfiltern kann.

Doch Photosynthese? die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie? relativ früh in der Geschichte des Lebens entwickelt. Photosynthetische Mikroben wie Cyanobakterien verwendeten bereits vor 2,8 Milliarden Jahren (und möglicherweise noch früher) Sonnenlicht, um Lebensmittel herzustellen.

Das frühe Leben war daher in einen heiklen Balanceakt verwickelt und lernte, wie man Strahlung als Energiequelle nutzt und sich gleichzeitig vor den Schäden schützt, die Strahlung verursachen könnte. Während Sonnenlicht nicht so energiereich ist wie Röntgen- oder Gammastrahlen, werden die UV-Wellenlängen bevorzugt von DNA-Basen und von den aromatischen Aminosäuren von Proteinen absorbiert. Diese Absorption kann Zellen und die empfindlichen DNA-Stränge schädigen, die die Anweisungen für das Leben codieren.

"Das Problem ist, wenn man für die Photosynthese auf Sonnenstrahlung zugreifen will, muss man das Gute mit dem Schlechten verbinden – man setzt sich auch der ultravioletten Strahlung aus", sagt Rothschild. "Es gibt also verschiedene Tricks, von denen wir glauben, dass sie im frühen Leben angewendet werden, so wie es das Leben heute tut."

Das Leben versteckt sich nicht nur unter flüssigem Wasser, sondern nutzt auch andere natürliche UV-Strahlungsbarrieren wie Eis, Sand, Steine ​​und Salz. Während sich die Organismen weiterentwickelten, konnten einige ihre eigenen Schutzbarrieren wie Pigmentierung oder eine harte Außenhülle entwickeln.

Dank photosynthetischer Organismen, die die Atmosphäre mit Sauerstoff füllen (und dadurch eine Ozonschicht erzeugen), müssen die meisten Organismen auf der Erde heute nicht mehr mit energiereichen UV-C-, Röntgen- oder Gammastrahlen aus dem Weltraum kämpfen. In der Tat die einzigen Organismen, von denen bekannt ist, dass sie die Exposition im Weltraum überleben? Zumindest kurzfristig – sind Bakterien und Flechten. Bakterien benötigen eine gewisse Abschirmung, damit sie nicht durch UV-Strahlung gebraten werden. Flechten haben jedoch genügend Biomasse, um als schützender Raumanzug zu fungieren.

Aber selbst wenn eine gute Barriere vorhanden ist, kommt es manchmal zu Strahlenschäden. Die Flechten und Bakterien überwintern im Weltraum? Sie wachsen, vermehren sich nicht und üben keine ihrer normalen Lebensfunktionen aus. Bei der Rückkehr zur Erde verlassen sie diesen Ruhezustand, und wenn Schäden verursacht wurden, arbeiten Proteine ​​in der Zelle daran, DNA-Stränge zusammenzusetzen, die durch Strahlung auseinandergebrochen wurden.

Die gleiche Schadensbegrenzung tritt bei Organismen auf der Erde auf, wenn sie radioaktiven Stoffen wie Uran und Radium ausgesetzt sind. Das Bakterium Deinococcus radiodurans ist der amtierende Champion, wenn es um diese Art der Strahlenreparatur geht. (Eine vollständige Reparatur ist jedoch nicht immer möglich, weshalb Strahlenexposition zu genetischen Mutationen oder zum Tod führen kann.)

"Ich lebe in der ewigen Hoffnung, D. radiodurans abzusetzen", sagt Rothchild. Ihre Suche nach strahlenresistenten Mikroorganismen hat sie in die heiße Quelle von Paralana in Australien gebracht. Uranreiche Granitfelsen senden Gammastrahlen aus, während tödliches Radongas aus dem heißen Wasser sprudelt. Das Leben im Frühjahr ist daher starker Strahlung ausgesetzt? sowohl unten von den radioaktiven Materialien als auch oben vom intensiven UV-Licht der australischen Sonne.

Rothschild erfuhr von der heißen Quelle von Roberto Anitori vom australischen Zentrum für Astrobiologie der Macquarie University. Anitori hat die 16S-ribosomalen RNA-Gene sequenziert und die Bakterien kultiviert, die recht glücklich in den radioaktiven Gewässern leben. Wie andere Organismen auf der Erde haben die Paralana-Cyanobakterien und andere Mikroben möglicherweise Barrieren entwickelt, um sich vor der Strahlung zu schützen.

„Ich habe auf einigen der dortigen mikrobiellen Matten eine zähe, fast silikonähnliche Schicht festgestellt“, sagt Anitori. "Und wenn ich" silikonartig "sage, meine ich die Sorte, die Sie für Fensterscheiben verwenden."

„Abgesehen von möglichen Abschirmmechanismen vermute ich, dass die Mikroben in Paralana auch gute DNA-Reparaturmechanismen haben“, fügt Anitori hinzu. Im Moment kann er nur über die Methoden spekulieren, mit denen die Paralana-Organismen überleben. Er plant jedoch, ihre Strahlenresistenzstrategien noch in diesem Jahr genau zu untersuchen.

Neben Paralana haben Rothschilds Untersuchungen sie in extrem trockene Regionen in Mexiko und den bolivianischen Anden gebracht. Wie sich herausstellt, können viele Organismen, die sich entwickelt haben, um in Wüsten zu leben, die Strahlenexposition auch recht gut überleben.

Ein längerer Wasserverlust kann DNA-Schäden verursachen, aber einige Organismen haben effiziente Reparatursysteme entwickelt, um diesen Schaden zu bekämpfen. Es ist möglich, dass dieselben Dehydratisierungsreparatursysteme verwendet werden, wenn der Organismus strahlenbedingte Schäden reparieren muss.

Solche Organismen können jedoch Schäden durch einfaches Austrocknen ganz vermeiden. Der Wassermangel in ausgetrockneten, ruhenden Zellen macht sie weniger anfällig für die Auswirkungen ionisierender Strahlung, die die Zellen schädigen kann, indem sie freie Wasserradikale (Hydroxyl- oder OH-Radikale) produzieren. Da freie Radikale ungepaarte Elektronen haben, versuchen sie eifrig, mit DNA, Proteinen, Lipiden in Zellmembranen und allem anderen, was sie finden können, zu interagieren. Das resultierende Wrack kann zu Organellenversagen führen, die Zellteilung blockieren oder zum Zelltod führen.

Die Beseitigung des Wassers in menschlichen Zellen ist für uns wahrscheinlich keine praktische Lösung, um die Strahlenbelastung im Weltraum zu minimieren. Science Fiction spielt seit langem mit der Idee, Menschen für lange Weltraumreisen in schwebende Animationen zu versetzen, aber Menschen in geschrumpfte, ausgetrocknete Rosinen zu verwandeln und sie dann wieder zum Leben zu erwecken, ist medizinisch nicht möglich – oder sehr ansprechend. Selbst wenn wir ein solches Verfahren entwickeln könnten, wären die menschlichen Rosinen nach ihrer Rehydratisierung wieder anfällig für Strahlenschäden.

Vielleicht können wir eines Tages Menschen gentechnisch so konstruieren, dass sie dieselben Super-Strahlungsreparatursysteme wie Mikroorganismen wie D. radiodurans haben. Aber selbst wenn ein solches Basteln am menschlichen Genom möglich wäre, sind diese robusten Organismen nicht zu 100 Prozent resistent gegen Strahlenschäden, sodass die Gesundheitsprobleme bestehen bleiben.

Von den drei bekannten Mechanismen, die das Leben zur Bekämpfung von Strahlenschäden entwickelt hat – Barrieren, Reparaturen und Austrocknung -, wäre die unmittelbarste praktische Lösung für die menschliche Raumfahrt die Entwicklung besserer Strahlenbarrieren. Anitori glaubt, dass seine Studien über die Organismen der Paralana-Quelle uns eines Tages helfen könnten, solche Barrieren zu konstruieren.

"Vielleicht werden wir von der Natur unterrichtet und ahmen einige der von Mikroben verwendeten Abschirmmechanismen nach", erklärt er.

Und Rothschild sagt, dass Strahlungsstudien auch einige wichtige Lektionen liefern könnten, wenn wir versuchen, Gemeinschaften auf dem Mond, dem Mars und anderen Planeten zu gründen.

"Wenn wir anfangen, menschliche Kolonien zu bauen, werden wir Organismen mitnehmen. Sie werden letztendlich Pflanzen züchten und möglicherweise eine Atmosphäre auf dem Mars und auf dem Mond schaffen wollen. Wir möchten vielleicht nicht die Mühe und das Geld aufwenden, um sie vollständig vor UV- und kosmischer Strahlung zu schützen. “

Rothschild sagt außerdem: „Menschen sind nur voller Mikroben, und ohne sie könnten wir nicht überleben. Wir wissen nicht, welche Auswirkungen die Strahlung auf diese assoziierte Gemeinschaft haben wird, und das ist möglicherweise eher ein Problem als die direkte Wirkung der Strahlung auf den Menschen. "

Sie glaubt, dass ihr Studium auch bei der Suche nach Leben auf anderen Welten nützlich sein wird. Unter der Annahme, dass andere Organismen im Universum ebenfalls auf Kohlenstoff und Wasser basieren, können wir postulieren, unter welchen extremen Bedingungen sie überleben könnten.

"Jedes Mal, wenn wir auf der Erde einen Organismus finden, der immer weiter in einem Umweltextrem leben kann, haben wir die Größe dieser Hülle vergrößert, von der wir wissen, dass das Leben in ihr überleben kann", sagt Rothschild. „Wenn wir also zu einem Ort auf dem Mars gehen, der einen bestimmten Strahlungsfluss, eine bestimmte Austrocknung und eine bestimmte Temperatur aufweist, können wir sagen:‚ Es gibt Organismen auf der Erde, die unter diesen Bedingungen leben können. Es gibt nichts, was das Leben davon abhält, dort zu leben. "Nun, ob das Leben da ist oder nicht, ist eine andere Sache, aber zumindest können wir sagen, dass dies die Mindesthülle für das Leben ist."

Zum Beispiel glaubt Rothschild, dass Leben in den Salzkrusten auf dem Mars möglich sein könnte, die den Salzkrusten auf der Erde ähneln, in denen Organismen Schutz vor solaren UV-Strahlen finden. Sie betrachtet auch das Leben unter Eis und Schnee auf der Erde und fragt sich, ob Organismen unter dem Eis von Jupiters Mond Europa eine vergleichsweise strahlungsgeschützte Existenz führen könnten.

Ursprüngliche Quelle: NASA Astrobiology

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