De zon is een belangrijke stralingsbron voor het leven op aarde. Klik om te vergroten
Ruimtevaart heeft zijn gevaren. Sommige dieren en planten hebben beschermende bedekking of pigmentatie ontwikkeld, maar sommige vormen van bacteriën kunnen schade aan het DNA van straling daadwerkelijk herstellen. Toekomstige ruimtereizigers kunnen profiteren van deze technieken om de schade die ze door langdurige blootstelling oplopen te minimaliseren.
In Star Wars- en Star Trek-films reizen mensen gemakkelijk tussen planeten en sterrenstelsels. Maar onze toekomst in de ruimte is verre van verzekerd. Afgezien van problemen met hyperdrive en wormgaten, lijkt het niet mogelijk dat het menselijk lichaam langdurige blootstelling aan de harde straling van de ruimte kan weerstaan.
Straling komt van veel bronnen. Licht van de zon produceert een reeks golflengten, van langegolf infrarood tot ultraviolet (UV) met korte golflengte. Achtergrondstraling in de ruimte bestaat uit hoogenergetische röntgenstralen, gammastraling en kosmische straling, die allemaal de cellen in ons lichaam kunnen beschadigen. Aangezien dergelijke ioniserende straling gemakkelijk de muren en ruimtepakken van ruimtevaartuigen binnendringt, moeten astronauten tegenwoordig hun tijd in de ruimte beperken. Maar zelfs voor een korte tijd in de ruimte zijn, vergroot hun kans op het ontwikkelen van kanker, cataract en andere stralingsgerelateerde gezondheidsproblemen aanzienlijk.
Om dit probleem te verhelpen, vinden we misschien enkele nuttige tips in de natuur. Veel organismen hebben al effectieve strategieën ontwikkeld om zichzelf tegen straling te beschermen.
Lynn Rothschild van het NASA Ames Research Center zegt dat straling altijd een gevaar is geweest voor het leven op aarde, en dus moest het leven manieren vinden om ermee om te gaan. Dit was vooral belangrijk tijdens de eerste jaren van de aarde, toen de ingrediënten voor het leven voor het eerst samenkwamen. Omdat onze planeet aanvankelijk niet veel zuurstof in de atmosfeer had, miste het ook een ozonlaag (O3) om schadelijke straling tegen te houden. Dit is een reden waarom velen geloven dat het leven onder water is ontstaan, omdat water de schadelijkere golflengten van licht kan filteren.
Maar fotosynthese? de transformatie van zonlicht in chemische energie? relatief vroeg in de levensgeschiedenis ontwikkeld. Fotosynthetische microben zoals cyanobacteriën gebruikten al 2,8 miljard jaar geleden (en mogelijk zelfs eerder) zonlicht om voedsel te maken.
Het vroege leven is daarom bezig met een delicate evenwichtsoefening, waarbij hij leert hoe hij straling voor energie kan gebruiken en zichzelf kan beschermen tegen de schade die straling kan veroorzaken. Hoewel zonlicht niet zo energiek is als röntgen- of gammastralen, worden de UV-golflengten bij voorkeur geabsorbeerd door DNA-basen en door de aromatische aminozuren van eiwitten. Deze absorptie kan cellen en de delicate DNA-strengen die de instructies voor het leven coderen, beschadigen.
"Het probleem is dat als je toegang wilt krijgen tot zonnestraling voor fotosynthese, je het goede met het slechte moet nemen - je stelt jezelf ook bloot aan ultraviolette straling", zegt Rothschild. "Er zijn dus verschillende trucs waarvan we denken dat ze het vroege leven hebben gebruikt, zoals het leven tegenwoordig doet."
Naast het verbergen onder vloeibaar water, maakt het leven gebruik van andere natuurlijke UV-stralingsbarrières zoals ijs, zand, rotsen en zout. Terwijl organismen zich verder ontwikkelden, konden sommigen hun eigen beschermende barrières ontwikkelen, zoals pigmentatie of een taaie buitenlaag.
Dankzij fotosynthetische organismen die de atmosfeer vullen met zuurstof (en daardoor een ozonlaag genereren), hoeven de meeste organismen op aarde tegenwoordig niet te kampen met hoogenergetische UV-C-stralen, röntgenstralen of gammastraling vanuit de ruimte. In feite de enige organismen waarvan bekend is dat ze de blootstelling aan de ruimte overleven? althans op korte termijn - zijn bacteriën en korstmossen. Bacteriën hebben wat bescherming nodig zodat ze niet door de UV worden gebakken, maar korstmos heeft voldoende biomassa om als beschermend ruimtepak te dienen.
Maar zelfs met een goede barrière is er soms stralingsschade. Het korstmos en de bacteriën overwinteren in de ruimte? ze groeien niet, reproduceren niet of houden zich bezig met een van hun normale levensfuncties. Bij terugkeer naar de aarde verlaten ze deze slapende toestand en, als er schade was toegebracht, werken eiwitten in de cel om DNA-strengen samen te voegen die door straling uit elkaar zijn gebroken.
Dezelfde schadebeperking treedt op bij organismen op aarde wanneer ze worden blootgesteld aan radioactieve materialen zoals uranium en radium. De bacterie Deinococcus radiodurans is de regerende kampioen als het gaat om dit soort stralingsherstel. (Volledige reparatie is echter niet altijd mogelijk, daarom kan blootstelling aan straling leiden tot genetische mutaties of de dood.)
'Ik leef in de eeuwige hoop om D. radiodurans te verwijderen', zegt Rothchild. Haar zoektocht naar stralingsbestendige micro-organismen heeft haar naar de hete bron van Paralana in Australië gebracht. Uraniumrijke granietrotsen zenden gammastraling uit terwijl het dodelijke radongas uit het hete water opborrelt. Het leven in het voorjaar dus wordt blootgesteld aan hoge stralingsniveaus? zowel onder, van de radioactieve stoffen, als boven, door het intense UV-licht van de Australische zon.
Rothschild hoorde over de hete bron van Roberto Anitori van het Australische centrum voor astrobiologie van de Macquarie University. Anitori heeft de 16S ribosomale RNA-genen in kaart gebracht en de bacteriën gekweekt die redelijk gelukkig leven in de radioactieve wateren. Net als andere organismen op aarde, hebben de Paralana cyanobacteriën en andere microben mogelijk barrières bedacht om zichzelf tegen de straling te beschermen.
"Ik heb op sommige microbiële matten daar een taaie, bijna siliconenachtige laag opgemerkt", zegt Anitori. "En als ik" siliciumachtig "zeg, bedoel ik het soort dat u gebruikt voor randen van ruiten."
"Afgezien van mogelijke afschermingsmechanismen, vermoed ik dat de microben in Paralana ook goede DNA-herstelmechanismen hebben", voegt Anitori toe. Op dit moment kan hij alleen maar speculeren over de methoden die de Paralana-organismen gebruiken om te overleven. Hij is echter van plan om later dit jaar hun stralingsbestendigheidsstrategieën nader te onderzoeken.
Naast Paralana hebben Rothschilds onderzoeken haar naar extreem droge gebieden in Mexico en de Boliviaanse Andes gebracht. Het blijkt dat veel organismen die zijn geëvolueerd om in woestijnen te leven, ook best goed zijn in het overleven van blootstelling aan straling.
Langdurig waterverlies kan DNA-schade veroorzaken, maar sommige organismen hebben efficiënte reparatiesystemen ontwikkeld om deze schade te bestrijden. Het is mogelijk dat dezelfde reparatiesystemen voor uitdroging worden gebruikt wanneer het organisme door straling veroorzaakte schade moet herstellen.
Maar dergelijke organismen kunnen schade eenvoudigweg voorkomen door simpelweg uit te drogen. Het gebrek aan water in uitgedroogde, slapende cellen maakt ze veel minder vatbaar voor de effecten van ioniserende straling, die cellen kunnen beschadigen door vrije radicalen van water (hydroxyl- of OH-radicalen) te produceren. Omdat vrije radicalen ongepaarde elektronen hebben, proberen ze gretig interactie aan te gaan met DNA, eiwitten, lipiden in celmembranen en al het andere dat ze kunnen vinden. Het resulterende wrak kan leiden tot organelfalen, celdeling blokkeren of celdood veroorzaken.
Het elimineren van het water in menselijke cellen is waarschijnlijk geen praktische oplossing voor ons om onze blootstelling aan straling in de ruimte te minimaliseren. Sciencefiction speelt al lang met het idee om mensen voor lange ruimtereizen in opgeschorte animaties te zetten, maar mensen in verschrompelde, uitgedroogde rozijnen veranderen en ze vervolgens weer tot leven wekken is medisch niet mogelijk - of erg aantrekkelijk. Zelfs als we een dergelijke procedure zouden kunnen ontwikkelen, zouden de menselijke rozijnen, eenmaal gerehydrateerd, weer vatbaar zijn voor stralingsschade.
Misschien kunnen we op een dag mensen genetisch manipuleren om dezelfde superstralingherstellende systemen te hebben als micro-organismen zoals D. radiodurans. Maar zelfs als zo'n sleutelen aan het menselijk genoom mogelijk was, zijn die sterke organismen niet 100 procent resistent tegen stralingsschade, dus gezondheidsproblemen zouden blijven bestaan.
Dus van de drie bekende mechanismen die het leven heeft bedacht om stralingsschade te bestrijden - barrières, herstel en uitdroging - zou de meest directe praktische oplossing voor bemande ruimtevaart het ontwikkelen van betere stralingsbarrières zijn. Anitori denkt dat zijn studies van de Paralana Spring-organismen ons op een dag kunnen helpen dergelijke barrières op te werpen.
'Misschien zullen we van nature les krijgen, waarbij we enkele van de afschermingsmechanismen van microben nabootsen', zegt hij.
En Rothschild zegt dat stralingsstudies ook enkele belangrijke lessen kunnen opleveren als we kijken naar het vestigen van gemeenschappen op de maan, Mars en andere planeten.
"Als we beginnen met het bouwen van menselijke kolonies, nemen we organismen mee. Je wilt uiteindelijk planten gaan kweken en mogelijk een atmosfeer creëren op Mars en op de maan. We willen misschien niet de moeite en het geld besteden om ze volledig te beschermen tegen de UV- en kosmische straling. '
Bovendien, zegt Rothschild, "mensen zitten gewoon vol microben, en zonder deze zouden we niet kunnen overleven. We weten niet welk effect de straling zal hebben op die geassocieerde gemeenschap, en dat kan meer een probleem zijn dan het directe effect van straling op de mens. "
Ze gelooft dat haar studies ook nuttig zullen zijn bij het zoeken naar leven op andere werelden. Ervan uitgaande dat andere organismen in het universum ook gebaseerd zijn op koolstof en water, kunnen we postuleren in wat voor extreme omstandigheden ze zouden kunnen overleven.
"Elke keer dat we een organisme op aarde vinden dat steeds verder kan leven in een extreem milieu, hebben we de omvang vergroot van wat we weten dat het leven erin kan overleven", zegt Rothschild. 'Dus als we naar een plek op Mars gaan met een bepaalde stralingsflux, uitdroging en temperatuur, kunnen we zeggen:' Er zijn organismen op aarde die onder die omstandigheden kunnen leven. Er is niets dat het leven ervan weerhoudt. ’Of het leven er is of niet, is een andere zaak, maar we kunnen tenminste zeggen dat dit de minimale envelop voor het leven is."
Rothschild denkt bijvoorbeeld dat leven mogelijk is in de zoutkorstjes op Mars, die vergelijkbaar zijn met zoutkorstjes op aarde waar organismen beschutting vinden tegen zonne-UV. Ze kijkt ook naar het leven onder ijs en sneeuw op aarde en vraagt zich af of organismen een relatief stralingsbeveiligd bestaan zouden kunnen leiden onder het ijs van Jupiters maan Europa.
Oorspronkelijke bron: NASA Astrobiology
