Słońce jest głównym źródłem promieniowania dla życia na Ziemi. Kliknij, aby powiększyć
Podróże kosmiczne mają swoje niebezpieczeństwa. Niektóre zwierzęta i rośliny rozwinęły ochronne pokrycie lub pigmentację, ale niektóre formy bakterii mogą faktycznie naprawić uszkodzenia DNA spowodowane promieniowaniem. Przyszli podróżnicy kosmiczni mogą skorzystać z tych technik, aby zminimalizować szkody wyrządzone przez długi czas ekspozycji.
W filmach Star Wars i Star Trek ludzie z łatwością podróżują między planetami i galaktykami. Ale nasza przyszłość w kosmosie jest daleka od pewności. Poza kwestiami hipernapędu i tuneli czasoprzestrzennych wydaje się, że ciało ludzkie nie jest w stanie wytrzymać długotrwałej ekspozycji na ostre promieniowanie kosmosu.
Promieniowanie pochodzi z wielu źródeł. Światło słoneczne wytwarza zakres długości fal od podczerwieni długofalowej po ultrafiolet krótkofalowy (UV). Promieniowanie tła w kosmosie składa się z wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich, gamma i kosmicznych, które wszystkie mogą siać spustoszenie w komórkach naszego ciała. Ponieważ takie promieniowanie jonizujące z łatwością przenika przez ściany statku kosmicznego i skafandry kosmiczne, astronauci muszą dziś ograniczyć swój czas w przestrzeni kosmicznej. Jednak przebywanie w kosmosie nawet przez krótki czas znacznie zwiększa ryzyko zachorowania na raka, zaćmę i inne problemy zdrowotne związane z promieniowaniem.
Aby rozwiązać ten problem, możemy znaleźć przydatne wskazówki w naturze. Wiele organizmów opracowało już skuteczne strategie ochrony przed promieniowaniem.
Lynn Rothschild z NASA Ames Research Center mówi, że promieniowanie zawsze stanowiło zagrożenie dla życia na Ziemi, dlatego życie musiało znaleźć sposoby, aby sobie z tym poradzić. Było to szczególnie ważne w najwcześniejszych latach Ziemi, kiedy składniki życia po raz pierwszy się łączyły. Ponieważ nasza planeta początkowo nie miała dużo tlenu w atmosferze, brakowało jej również warstwy ozonowej (O3), która blokowałaby szkodliwe promieniowanie. Jest to jeden z powodów, dla których wielu uważa, że życie powstało pod wodą, ponieważ woda może odfiltrować bardziej szkodliwe długości fal światła.
Jeszcze fotosynteza? transformacja światła słonecznego w energię chemiczną? rozwinął się stosunkowo wcześnie w historii życia. Mikroby fotosyntetyczne, takie jak cyjanobakterie, wykorzystywały światło słoneczne do wytwarzania żywności już 2,8 miliarda lat temu (a być może nawet wcześniej).
Wczesne życie zaangażowało się zatem w delikatną czynność równoważącą, ucząc się, jak wykorzystywać promieniowanie do energii, jednocześnie chroniąc się przed szkodami, jakie promieniowanie może spowodować. Podczas gdy światło słoneczne nie jest tak energetyczne jak promienie rentgenowskie lub gamma, długości fal UV są preferencyjnie absorbowane przez zasady DNA i aromatyczne aminokwasy białek. Wchłanianie może uszkodzić komórki i delikatne nici DNA, które kodują instrukcje na całe życie.
„Problem polega na tym, że jeśli masz zamiar uzyskać dostęp do promieniowania słonecznego do fotosyntezy, musisz zabrać dobro ze złem - narażasz się również na promieniowanie ultrafioletowe” - mówi Rothschild. „Są więc różne sztuczki, które naszym zdaniem są używane we wczesnym życiu, tak jak dziś.”
Oprócz ukrywania się pod płynną wodą, życie wykorzystuje inne naturalne bariery promieniowania UV, takie jak lód, piasek, skały i sól. W miarę ewolucji organizmów niektóre były w stanie opracować własne bariery ochronne, takie jak pigmentacja lub twarda skorupa zewnętrzna.
Dzięki organizmom fotosyntetycznym wypełniającym atmosferę tlenem (a tym samym wytwarzającym warstwę ozonową) większość dzisiejszych organizmów na Ziemi nie musi walczyć z wysokoenergetycznymi promieniami UV-C, promieniami X lub promieniami gamma z kosmosu. W rzeczywistości jedyne znane organizmy, które przetrwały ekspozycję kosmiczną? przynajmniej w krótkim okresie - są bakteriami i porostami. Bakterie potrzebują osłony, aby nie zostały usmażone przez UV, ale porosty mają wystarczającą ilość biomasy, aby działać jako ochronny skafander kosmiczny.
Ale nawet przy dobrej barierze czasami dochodzi do uszkodzenia radiacyjnego. Porosty i bakterie zimują w kosmosie? nie rosną, nie rozmnażają się ani nie biorą udziału w żadnej z normalnych funkcji życiowych. Po powrocie na Ziemię wychodzą z tego stanu uśpienia i, jeśli doszło do uszkodzenia, białka w komórce pracują w celu złożenia razem nici DNA, które zostały rozbite przez promieniowanie.
Ta sama kontrola uszkodzeń występuje w przypadku organizmów na Ziemi, gdy są one narażone na działanie materiałów radioaktywnych, takich jak uran i rad. Bakteria Deinococcus radiodurans jest panującym mistrzem, jeśli chodzi o tego rodzaju naprawę promieniowania. (Całkowita naprawa nie zawsze jest jednak możliwa, dlatego narażenie na promieniowanie może prowadzić do mutacji genetycznych lub śmierci.)
„Żyję w wiecznej nadziei na odejście z D. radiodurans”, mówi Rothchild. Jej poszukiwania odpornych na promieniowanie mikroorganizmów doprowadziły ją do gorącej źródła Paralana w Australii. Bogate w uran skały granitowe emitują promienie gamma, podczas gdy śmiercionośny gaz radonowy wznosi się z gorącej wody. Życie na wiosnę jest zatem narażone na wysoki poziom promieniowania? zarówno poniżej, z materiałów radioaktywnych, jak i powyżej, z intensywnego światła UV australijskiego słońca.
Rothschild dowiedział się o gorącym źródle od Roberto Anitori z australijskiego Centrum Astrobiologii Uniwersytetu Macquarie. Anitori sekwencjonuje geny RNA rybosomalnego 16S i hoduje bakterie, które żyją całkiem szczęśliwie w wodach radioaktywnych. Podobnie jak inne organizmy na Ziemi, cyjanobakterie Paralana i inne drobnoustroje mogły opracować bariery chroniące się przed promieniowaniem.
„Zauważyłem twardą, prawie silikonową warstwę na niektórych matach mikrobiologicznych”, mówi Anitori. „A kiedy mówię„ podobny do krzemu ”, mam na myśli sposób, w jaki używasz obrzeży szyb.”
„Poza możliwymi mechanizmami osłonowymi podejrzewam, że drobnoustroje w Paralana mają również dobre mechanizmy naprawy DNA”, dodaje Anitori. W tej chwili może jedynie spekulować na temat metod stosowanych przez organizmy Paralana do przetrwania. Planuje jednak dokładnie zbadać ich strategie odporności na promieniowanie jeszcze w tym roku.
Oprócz Paralany dochodzenia Rothschilda doprowadziły ją do wyjątkowo suchych regionów Meksyku i boliwijskich Andów. Jak się okazuje, wiele organizmów, które ewoluowały, by żyć na pustyniach, jest również całkiem niezłych w przetrwaniu ekspozycji na promieniowanie.
Długotrwała utrata wody może spowodować uszkodzenie DNA, ale niektóre organizmy opracowały skuteczne systemy naprawcze w celu zwalczania tych uszkodzeń. Możliwe jest, że te same systemy naprawy odwodnienia są stosowane, gdy organizm musi naprawić uszkodzenia spowodowane promieniowaniem.
Ale takie organizmy mogą być w stanie całkowicie uniknąć uszkodzeń po prostu przez wysuszenie. Brak wody w wysuszonych, uśpionych komórkach sprawia, że są one znacznie mniej podatne na działanie promieniowania jonizującego, które może uszkodzić komórki, wytwarzając wolne rodniki wody (rodnik hydroksylowy lub OH). Ponieważ wolne rodniki mają niesparowane elektrony, chętnie próbują wchodzić w interakcje z DNA, białkami, lipidami w błonach komórkowych i wszystkim innym, co mogą znaleźć. Powstały wrak może prowadzić do uszkodzenia organelli, blokowania podziału komórek lub śmierci komórki.
Eliminacja wody w ludzkich komórkach prawdopodobnie nie jest dla nas praktycznym rozwiązaniem, aby zminimalizować naszą ekspozycję na promieniowanie w przestrzeni kosmicznej. Science fiction od dawna bawi się pomysłem umieszczania ludzi w zawieszonych animacjach na długie podróże kosmiczne, ale zamiana ludzi w pomarszczone, wysuszone rodzynki, a następnie ponowne uwodnienie ich z powrotem do życia nie jest medycznie możliwa - ani bardzo atrakcyjna. Nawet gdybyśmy mogli opracować taką procedurę, po uwodnieniu ludzkich rodzynków znów byłyby podatne na uszkodzenie promieniowaniem.
Być może kiedyś uda nam się genetycznie skonstruować ludzi, aby mieli te same super-naprawcze systemy naprawcze jak mikroorganizmy, takie jak D. radiodurans. Ale nawet gdyby takie majstrowanie przy ludzkim genomie było możliwe, te odporne organizmy nie są w 100 procentach odporne na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem, więc problemy zdrowotne utrzymałyby się.
Tak więc spośród trzech znanych mechanizmów, które życie opracowało w celu zwalczania szkód spowodowanych promieniowaniem - barier, napraw i suszenia - najbardziej praktycznym rozwiązaniem dla lotów kosmicznych człowieka byłoby opracowanie lepszych barier promieniowania. Anitori uważa, że jego badania nad organizmami z wiosny Paralana mogą kiedyś pomóc nam w opracowaniu takich barier.
„Być może będzie nas nauczać natura, naśladując niektóre mechanizmy ochronne stosowane przez drobnoustroje”, stwierdza.
Rothschild twierdzi, że badania nad promieniowaniem mogą również dostarczyć ważnych lekcji, gdy będziemy dążyć do ustanowienia społeczności na Księżycu, Marsie i innych planetach.
„Kiedy zaczniemy budować ludzkie kolonie, zabierzemy ze sobą organizmy. Ostatecznie będziesz chciał uprawiać rośliny i być może stworzyć atmosferę na Marsie i na Księżycu. Możemy nie chcieć wydawać wysiłku i pieniędzy, aby całkowicie chronić je przed promieniowaniem UV i promieniowaniem kosmicznym. ”
Ponadto, mówi Rothschild, „ludzie są po prostu pełni drobnoustrojów i bez nich nie moglibyśmy przetrwać. Nie wiemy, jaki wpływ będzie miało promieniowanie na tę powiązaną społeczność, co może być większym problemem niż bezpośredni wpływ promieniowania na ludzi ”.
Uważa, że jej badania będą również przydatne w poszukiwaniu życia na innych światach. Zakładając, że inne organizmy we wszechświecie również oparte są na węglu i wodzie, możemy postulować, w jakich ekstremalnych warunkach mogliby przetrwać.
„Za każdym razem, gdy znajdujemy organizm na Ziemi, który może żyć coraz bardziej w skrajności środowiskowej, zwiększamy rozmiar tej koperty tego, co wiemy, że życie może przetrwać” - mówi Rothschild. „Więc jeśli pójdziemy do miejsca na Marsie, które ma pewien strumień promieniowania, suszenie i temperaturę, możemy powiedzieć:„ Istnieją na Ziemi organizmy, które mogą żyć w tych warunkach. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby życie tam mieszkało. ”Czy to życie istnieje, czy nie, to inna sprawa, ale przynajmniej możemy powiedzieć, że jest to minimalna koperta życia”.
Na przykład Rothschild uważa, że życie mogłoby być możliwe w skorupach solnych na Marsie, które są podobne do skorup solnych na Ziemi, gdzie organizmy znajdują schronienie przed promieniowaniem słonecznym UV. Patrzy również na życie żyjące pod lodem i śniegiem na Ziemi i zastanawia się, czy organizmy mogłyby żyć w stosunkowo chronionej przed promieniowaniem egzystencji pod lodem księżyca Jowisza - Europy.
Oryginalne źródło: NASA Astrobiology
