Солнце является основным источником радиации для жизни на Земле. нажмите, чтобы увеличить
Космическое путешествие имеет свои опасности. У некоторых животных и растений появилось защитное покрытие или пигментация, но некоторые формы бактерий могут на самом деле восстанавливать повреждения ДНК от радиации. Будущие космические путешественники могут воспользоваться этими методами, чтобы минимизировать вред, который они получают от длительного воздействия.
В фильмах «Звездные войны» и «Звездный путь» люди с легкостью путешествуют между планетами и галактиками. Но наше будущее в космосе далеко не гарантировано. Помимо вопросов о гипердвигателе и червоточинах, не представляется возможным, чтобы человеческое тело могло выдерживать длительное воздействие сурового излучения космического пространства.
Радиация исходит из многих источников. Свет от солнца производит диапазон длин волн от длинноволнового инфракрасного до коротковолнового ультрафиолетового (УФ). Фоновое излучение в космосе состоит из рентгеновских лучей высокой энергии, гамма-лучей и космических лучей, которые могут разрушать клетки нашего тела. Поскольку такое ионизирующее излучение легко проникает через стенки космического корабля и скафандры, сегодня космонавты должны ограничивать свое время в космосе. Но пребывание в космосе даже в течение короткого времени значительно увеличивает вероятность развития рака, катаракты и других проблем со здоровьем, связанных с радиацией.
Чтобы преодолеть эту проблему, мы можем найти несколько полезных советов в природе. Многие организмы уже разработали эффективные стратегии защиты от радиации.
Линн Ротшильд из Исследовательского центра Эймса НАСА говорит, что радиация всегда была опасна для жизни на Земле, и поэтому жизнь должна была найти способы справиться с ней. Это было особенно важно в первые годы существования Земли, когда составляющие жизни впервые собирались вместе. Поскольку наша планета изначально не имела большого количества кислорода в атмосфере, ей также не хватало озонового (O3) слоя, чтобы блокировать вредную радиацию. Это одна из причин, почему многие считают, что жизнь зародилась под водой, поскольку вода может отфильтровывать более разрушительные волны света.
Все же фотосинтез? преобразование солнечного света в химическую энергию? развит относительно рано в истории жизни. Фотосинтетические микробы, такие как цианобактерии, использовали солнечный свет для приготовления пищи еще 2,8 миллиарда лет назад (и, возможно, даже раньше).
Ранняя жизнь, таким образом, участвовала в тонком уравновешивании, изучая, как использовать радиацию для энергии, защищая себя от ущерба, который может нанести радиация. В то время как солнечный свет не такой энергичный, как рентгеновские или гамма-лучи, ультрафиолетовые волны преимущественно поглощаются основами ДНК и ароматическими аминокислотами белков. Это поглощение может повредить клетки и тонкие нити ДНК, которые кодируют инструкции для жизни.
«Проблема в том, что если вы собираетесь получить доступ к солнечному излучению для фотосинтеза, вам нужно взять хорошее с плохим - вы также подвергаете себя воздействию ультрафиолетового излучения», - говорит Ротшильд. «Таким образом, существуют разные приемы, которые, как мы думаем, использовались в молодости, как и сегодня».
Помимо сокрытия под жидкой водой, жизнь использует другие естественные барьеры ультрафиолетового излучения, такие как лед, песок, камни и соль. Поскольку организмы продолжали развиваться, некоторые смогли создать свои собственные защитные барьеры, такие как пигментация или жесткая внешняя оболочка.
Благодаря фотосинтезирующим организмам, наполняющим атмосферу кислородом (и таким образом генерирующим озоновый слой), большинству организмов на Земле сегодня не нужно бороться с высокоэнергетическими ультрафиолетовыми, рентгеновскими или гамма-лучами из космоса. На самом деле, единственные организмы, которые, как известно, выжили в космосе? по крайней мере, в краткосрочной перспективе - это бактерии и лишайники. Бактерии нуждаются в некотором экранировании, чтобы их не обжарить под воздействием ультрафиолета, но лишайник имеет достаточно биомассы, чтобы действовать в качестве защитного скафандра.
Но даже при наличии хорошего барьера иногда происходит радиационное повреждение. Лишайник и бактерии зимуют в космосе? они не растут, не размножаются и не участвуют в каких-либо своих обычных жизненных функциях. По возвращении на Землю они выходят из этого состояния покоя, и, если был нанесен ущерб, белки в клетке объединяют нити ДНК, которые были разрушены радиацией.
Тот же контроль ущерба происходит с организмами на Земле, когда они подвергаются воздействию радиоактивных материалов, таких как уран и радий. Бактерия Deinococcus radiodurans является действующим чемпионом, когда дело доходит до такого рода радиационного восстановления. (Однако полное восстановление не всегда возможно, поэтому облучение может привести к генетическим мутациям или смерти.)
«Я живу в вечной надежде на то, чтобы сразить D. radiodurans», - говорит Ротшильд. Поиски радиационно-стойких микроорганизмов привели ее к горячему источнику Паралана в Австралии. Богатые ураном гранитные породы испускают гамма-лучи, в то время как смертельный газ радона поднимается из горячей воды. Жизнь весной поэтому подвергается воздействию высоких уровней радиации? как внизу, от радиоактивных материалов, так и сверху, от интенсивного ультрафиолетового света австралийского солнца.
Ротшильд узнал о горячих источниках от Роберто Анитори из Австралийского центра астробиологии Университета Маккуори. Anitori секвенирует гены рибосомальной РНК 16S и культивирует бактерии, которые довольно счастливо живут в радиоактивных водах. Как и другие организмы на Земле, цианобактерии Paralana и другие микробы, возможно, разработали барьеры для защиты от радиации.
«Я заметил жесткий, почти силиконоподобный слой на некоторых микробных матах», - говорит Анитори. «И когда я говорю« похожий на кремний », я имею в виду тот тип, который вы используете для окантовки оконного стекла».
«Помимо возможных механизмов экранирования, я подозреваю, что у микробов в Paralana также есть хорошие механизмы репарации ДНК», - добавляет Анитори. В настоящее время он может только размышлять о методах, используемых организмами Параланы для выживания. Тем не менее, он планирует внимательно изучить их стратегии радиационной стойкости в конце этого года.
Помимо Параланы, расследования Ротшильда привели ее в крайне засушливые районы Мексики и Боливийских Анд. Как выясняется, многие организмы, которые эволюционировали, чтобы жить в пустынях, также довольно хорошо выживают при радиационном воздействии.
Длительная потеря воды может привести к повреждению ДНК, но некоторые организмы разработали эффективные системы восстановления для борьбы с этим ущербом. Возможно, что те же самые системы восстановления дегидратации используются, когда организм нуждается в восстановлении радиационного повреждения.
Но такие организмы могут быть в состоянии полностью избежать повреждения, просто будучи высушенным. Недостаток воды в высушенных, спящих клетках делает их гораздо менее восприимчивыми к воздействию ионизирующего излучения, которое может нанести вред клеткам, продуцируя свободные радикалы воды (гидроксил или радикал ОН). Поскольку у свободных радикалов есть неспаренные электроны, они охотно пытаются взаимодействовать с ДНК, белками, липидами в клеточных мембранах и всем, что они могут найти. В результате обломки могут привести к разрушению органелл, блокированию деления клеток или гибели клеток.
Устранение воды в клетках человека, вероятно, не является практическим решением для нас, чтобы свести к минимуму наше облучение в космосе. Научная фантастика давно обдумывала идею подвешивать людей к длительным космическим путешествиям, но превратить людей в сморщенный, высушенный изюм и затем вернуть их к жизни с медицинской точки зрения невозможно - или очень привлекательно. Даже если бы мы могли разработать такую процедуру, после регидратации человеческих изюминт они снова будут подвержены радиационному повреждению.
Возможно, когда-нибудь мы сможем генетически сконструировать людей, чтобы они имели такие же системы восстановления сверхрадиации, как и микроорганизмы, такие как D. radiodurans. Но даже если бы такое возни с человеческим геномом было возможно, эти выносливые организмы не на 100 процентов устойчивы к радиационному повреждению, поэтому проблемы со здоровьем сохранятся.
Итак, из трех известных механизмов, разработанных жизнью для борьбы с радиационным ущербом - барьеры, ремонт и высыхание, - самым непосредственным практическим решением для полета человека в космос будет разработка более эффективных радиационных барьеров. Анитори считает, что его исследования организмов весны Параланы могут когда-нибудь помочь нам создать такие барьеры.
«Возможно, нас будут учить от природы, подражая некоторым защитным механизмам, используемым микробами», - заявляет он.
И Ротшильд говорит, что радиационные исследования также могут дать некоторые важные уроки, поскольку мы смотрим на создание сообществ на Луне, Марсе и других планетах.
«Когда мы начнем строить человеческие колонии, мы собираемся взять с собой организмы. В конечном итоге вы захотите выращивать растения и, возможно, создать атмосферу на Марсе и на Луне. Возможно, мы не хотим тратить усилия и деньги, чтобы полностью защитить их от ультрафиолетового и космического излучения ».
Кроме того, говорит Ротшильд, «люди просто полны микробов, и мы не могли бы выжить без них. Мы не знаем, какое влияние окажет излучение на это сообщество, и это может быть большей проблемой, чем прямое воздействие излучения на людей ».
Она считает, что ее исследования также будут полезны в поисках жизни в других мирах. Предполагая, что другие организмы во вселенной также основаны на углероде и воде, мы можем постулировать, в каких экстремальных условиях они могут выжить.
«Каждый раз, когда мы находим организм на Земле, который может жить все дальше и дальше в экстремальных условиях окружающей среды, мы увеличиваем размер той оболочки, в которой, как мы знаем, жизнь может существовать, - говорит Ротшильд. «Поэтому, если мы отправимся на место на Марсе с определенным потоком излучения, высыханием и температурой, мы можем сказать:« На Земле есть организмы, которые могут жить в таких условиях. Нет ничего, что мешало бы жизни там жить ». Теперь, есть ли жизнь там или нет, это другое дело, но, по крайней мере, мы можем сказать, что это минимальная оболочка для жизни».
Например, Ротшильд считает, что жизнь возможна в соляных корках на Марсе, которые похожи на соляные корки на Земле, где организмы находят укрытие от солнечного ультрафиолета. Она также смотрит на жизнь, живущую подо льдом и снегом на Земле, и задается вопросом, могут ли организмы жить в сравнительно защищенном от радиации существовании под льдом луны Юпитера Европа.
Первоначальный источник: НАСА Астробиология
