Solen är en viktig strålningskälla för livet på jorden. Klicka för att förstora
Rymdresor har sina faror. Vissa djur och växter har utvecklats skyddande täckning eller pigmentering, men vissa former av bakterier kan faktiskt reparera skada på dess DNA från strålning. Framtida rymdresande kan utnyttja dessa tekniker för att minimera skadan de får av lång exponering.
I Star Wars och Star Trek-filmer reser människor lätt mellan planeter och galaxer. Men vår framtid i rymden är långt ifrån säker. Frågor om hyperdriv och maskhål åt sidan, det verkar inte som om människokroppen kan tåla lång exponering för den hårda strålningen i yttre rymden.
Strålning kommer från många källor. Ljus från solen producerar en rad våglängder från långvåg infraröd till kort våglängd ultraviolett (UV). Bakgrundsstrålning i rymden består av högenergi röntgenstrålar, gammastrålar och kosmiska strålar, som alla kan spela förödelse med cellerna i våra kroppar. Eftersom en sådan joniserande strålning lätt tränger in i rymdskeppsväggar och rymddräkter måste astronauter idag begränsa sin tid i rymden. Men att befinna sig i det yttre rymden under en kort tid ökar avsevärt deras odds för att utveckla cancer, grå starr och andra strålningsrelaterade hälsoproblem.
För att övervinna detta problem kan vi hitta några användbara tips i naturen. Många organismer har redan tagit fram effektiva strategier för att skydda sig mot strålning.
Lynn Rothschild från NASA Ames Research Center säger att strålning alltid har varit en fara för livet på jorden, och därför måste livet hitta sätt att hantera det. Detta var särskilt viktigt under jordens tidigaste år, när ingredienserna för livet först samlades. Eftersom vår planet ursprungligen inte hade mycket syre i atmosfären, saknade den också ett ozonlager (O3) för att hindra skadlig strålning. Detta är en anledning till att många tror att livet har sitt ursprung under vattnet, eftersom vatten kan filtrera bort de mer skadliga våglängderna i ljuset.
Ändå fotosyntes? omvandlingen av solljus till kemisk energi? utvecklades relativt tidigt i livets historia. Fotosyntetiska mikrober som cyanobakterier använde solljus för att tillverka mat redan för 2,8 miljarder år sedan (och kanske till och med tidigare).
Det tidiga livet deltog därför i en känslig balansåtgärd där man lär sig att använda strålning för energi samtidigt som man skyddar sig mot den skada som strålning kan orsaka. Medan solljuset inte är lika energiskt som röntgenstrålar eller gammastrålar, absorberas UV-våglängderna företrädesvis av DNA-baser och av de aromatiska aminosyrorna i proteiner. Denna absorption kan skada celler och de känsliga DNA-trådarna som kodar livets instruktioner.
"Problemet är, om du ska få tillgång till solstrålning för fotosyntes, måste du ta det goda med det dåliga - du utsätter dig också för den ultravioletta strålningen," säger Rothschild. "Så det finns olika trick som vi tror att det tidiga livet använde, som livet gör idag."
Förutom att gömma sig under flytande vatten, använder livet andra naturliga UV-strålningsbarriärer som is, sand, stenar och salt. När organismer fortsatte att utvecklas kunde vissa utveckla sina egna skyddsbarriärer som pigmentering eller ett hårt yttre skal.
Tack vare fotosyntetiska organismer som fyller atmosfären med syre (och därmed genererar ett ozonskikt), behöver de flesta organismer på jorden idag inte kämpa med UV-C-strålar med hög energi, röntgenstrålar eller gammastrålar från rymden. Faktum är att de enda organismer som är kända för att överleva exponeringen för rymden? åtminstone på kort sikt - är bakterier och lav. Bakterier behöver en viss skärmning så att de inte stekas av UV, men lav har tillräckligt med biomassa för att fungera som en skyddande rymddräkt.
Men även med en bra barriär på plats inträffar ibland strålskador. Lav och bakterier vilar i vila medan de är i rymden? de växer inte, reproducerar eller deltar i någon av sina normala levande funktioner. När de återvänder till jorden, lämnar de detta vilande tillstånd och, om det hade skada, fungerar proteiner i cellen för att fästa DNA-strängar som var sönderdelade av strålning.
Samma skadekontroll uppstår med organismer på jorden när de utsätts för radioaktiva material som uran och radium. Bakterien Deinococcus radiodurans är den regerande mästaren när det gäller denna typ av strålningsreparation. (Fullständig reparation är dock inte alltid möjlig, varför strålningsexponering kan leda till genetiska mutationer eller dödsfall.)
”Jag lever i evigt hopp om att få oöverträffad D. radiodurans,” säger Rothchild. Hennes sökning efter strålningsresistenta mikroorganismer har fört henne till den varma våren i Paralana i Australien. Uranrik granitstenar avger gammastrålar medan dödlig radongas bubblar upp från det heta vattnet. Liv på våren utsätts därför för höga strålningsnivåer? både under, från de radioaktiva materialen, och ovan, från det australiska solens intensiva UV-ljus.
Rothschild fick reda på den varma källan från Roberto Anitori från Macquarie University: s australiska center för astrobiologi. Anitori har sekvenserat 16S ribosomala RNA-gener och odlat bakterierna som lever ganska lyckligt i det radioaktiva vattnet. Paralana cyanobakterier och andra mikrober kan, som andra organismer på jorden, ha utformat hinder för att skydda sig mot strålningen.
"Jag har märkt ett tufft, nästan silikonliknande skikt på några av de mikrobiella mattorna där," säger Anitori. "Och när jag säger" kisel-liknande ", menar jag den sort du använder i fönsterrutans kantning."
”Bortsett från möjliga skärmningsmekanismer misstänker jag att mikroberna i Paralana också har bra DNA-reparationsmekanismer,” tillägger Anitori. Just nu kan han bara spekulera om de metoder som används av Paralana-organismerna för att överleva. Men han planerar att noggrant undersöka deras strålningsmotståndstrategier senare i år.
Förutom Paralana har Rothschilds utredningar lett till henne till extremt torra regioner i Mexiko och de bolivianska Anderna. Det visar sig att många organismer som utvecklats att leva i öknar är också ganska bra på att överleva strålningsexponering.
Långvarig vattenförlust kan orsaka DNA-skador, men vissa organismer har utvecklat effektiva reparationssystem för att bekämpa denna skada. Det är möjligt att samma system för dehydratiseringsreparation används när organismen behöver reparera strålningsskador.
Men sådana organismer kan kanske undvika skador helt enkelt genom att torka ut. Bristen på vatten i uttorkade, vilande celler gör dem mycket mindre mottagliga för effekterna av joniserande strålning, vilket kan skada celler genom att producera fria radikaler med vatten (hydroxyl- eller OH-radikal). Eftersom fria radikaler har oparade elektroner, försöker de ivrigt att interagera med DNA, proteiner, lipider i cellmembran och allt annat de kan hitta. Det resulterande vraket kan leda till organelsvikt, blockera celldelningen eller orsaka celldöd.
Att eliminera vattnet i mänskliga celler är förmodligen inte en praktisk lösning för oss för att minimera vår strålningsexponering i rymden. Science fiction har länge leksat med idén att sätta människor i avstängd animering för långa rymdresor, men att förvandla människor till förvrängda, torkade russin och sedan återhydratisera dem till livet är inte medicinskt möjligt - eller väldigt tilltalande. Även om vi kunde utveckla ett sådant förfarande, när de mänskliga raisinetterna hade återhydratiserats, skulle de återigen vara mottagliga för strålningsskador.
Kanske en dag kan vi genetiskt konstruera människor för att ha samma superstrålningsreparationssystem som mikroorganismer som D. radiodurans. Men även om det skulle vara möjligt att knyta det mänskliga genomet är de härdiga organismerna inte 100 procent resistenta mot strålningsskador, så hälsoproblem skulle kvarstå.
Så av de tre kända mekanismer som livet har utvecklat för att bekämpa strålningsskador - hinder, reparation och uttorkning - skulle den mest omedelbara praktiska lösningen för människors rymdflyg vara att utforma bättre strålningsbarriärer. Anitori tror att hans studier av Paralana Spring-organismer en dag skulle kunna hjälpa oss att konstruera sådana hinder.
"Kanske kommer vi att lära oss av naturen och härma några av de skärmningsmekanismer som används av mikrober," säger han.
Och Rothschild säger att strålningsstudier också skulle kunna ge några viktiga lärdomar när vi ser mot att etablera samhällen på månen, Mars och andra planeter.
”När vi börjar bygga mänskliga kolonier kommer vi att ta organismer med oss. I slutändan kommer du att vilja växa växter och möjligen skapa en atmosfär på Mars och på månen. Vi kanske inte vill spendera ansträngningen och pengarna för att skydda dem helt från UV- och kosmisk strålning. ”
Dessutom, säger Rothschild, "människor är bara fulla av mikrober, och vi kunde inte överleva utan dem. Vi vet inte vilken effekt strålningen kommer att ha på det därtill hörande samhället, och det kan vara mer ett problem än den direkta effekten av strålning på människorna. "
Hon tror att hennes studier också kommer att vara användbara i sökandet efter liv i andra världar. Om vi antar att andra organismer i universum också är baserade på kol och vatten kan vi sätta upp vilken typ av extrema förhållanden de kan överleva i.
"Varje gång vi hittar en organism på jorden som kan leva längre och längre in i en miljöekstrem har vi ökat storleken på det kuvertet av det vi vet att livet kan överleva inom," säger Rothschild. "Så om vi åker till en plats på Mars som har ett visst strålningsflöde, uttorkning och temperatur, kan vi säga:" Det finns organismer på jorden som kan leva under dessa förhållanden. Det finns inget som hindrar livet från att bo där. "Nu är det en annan fråga om livet är där eller inte, men vi kan åtminstone säga att det är det minsta höljet för livet."
Rothschild tror till exempel att livet kan vara möjligt i saltkorporna på Mars, som liknar saltskorpor på jorden där organismer hittar skydd mot UV-sol. Hon tittar också på livet som lever under is och snö på jorden, och undrar om organismer kan leva en jämförelsevis strålskyddad existens under isen från Jupiters mån Europa.
Originalkälla: NASA Astrobiology
