DNA w kosmosie

0

Co się dzieje z DNA w przestrzeni kosmicznej? Czy uszkodzenia związane z promieniowaniem kosmicznym i słonecznym są odwracalne? Jak mikrograwitacja wpływa na działanie kwasów nukleinowych? Medycy, biolodzy i inżynierowie mierzą się z tymi pytaniami od początku załogowych lotów kosmicznych. W drugim dziesięcioleciu XXI wieku badania prowadzone są nadal, z myślą o załogowej wyprawie na Marsa, poszukiwaniu życia na innych ciałach Układu Słonecznego, a nawet określeniu sposobu powstania organizmów żywych.

DNA i przestrzeń kosmiczna

Składniki kwasów deoksyrybonukleinowych oraz rybonukleinowych mogą powstawać “samoczynnie” w sprzyjających okolicznościach. Co ważniejsze, mogą być transportowane w przestrzeni kosmicznej. Odnaleziono już chondryty węgliste, w których znajdowały się zasady DNA i RNA, czyli puryny i pirymidyny. Niestety, brakowało rybozy i deoksyrybozy, cukrów stanowiących spoiwo cegiełek informacji genetycznej.

Wysokie temperatury stanowią duże zagrożenie dla spójności DNA. Teoretycznie helisa zachowuje trwałość do 107 stopni Celsjusza, w praktyce rozpada się znacznie szybciej ze względu na osłabienie tworzących ją zasad. Jednak nie jest to niebezpieczeństwo, z którym mogą zetknąć się astronauci, znacznie pewniejsze jest wystąpienie niskich temperatur, choć i one nie stanowią podstawowego zagrożenia.

Niskie temperatury są przy tym znacznie mniej szkodliwe od wysokich, dodatkowo spowalniają uszkodzenia DNA związane z promieniowaniem nadfioletowym i jonizującym. To właśnie promieniowanie słoneczne i kosmiczne stanowią największe niebezpieczeństwo dla spójności kwasów deoksyrybonukleinowych. Słońce emituje silnie naładowane, zjonizowane cząstki, szczególnie w trakcie rozbłysków, a oprócz tego promieniowanie UV, pochłaniane bezpośrednio przez DNA w komórce. Prowadzi to do zmian fotochemicznych, przemian zasad DNA i ostatecznie – śmierci komórki.

Do dziś nie rozstrzygnięto, jaki wpływ na DNA ma mikrograwitacja. Badania nad promieniowaniem prowadzone są już długo: na Ziemi (przy użyciu akceleratorów) oraz na niskiej orbicie okołoziemskiej, np.: na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Jednak połączony wpływ braku siły ciążenia i bombardowania wysokoenergetycznymi cząstkami może mieć bardzo zgubny i wciąż nieznany wpływ na DNA, szczególnie poza magnetosferą Ziemi.

Badanie kwasów deoksyrybonukleinowych w kosmosie stanowi pierwszy krok do dalekich, załogowych misji kosmicznych. Zaczynając od nośnika informacji genetycznej, kończąc na całych narządach – minimalizuje się ryzyko choroby lub śmierci astronautów w trakcie wypraw w głęboką przestrzeń kosmiczną. Warto zaznaczyć, że uszkodzenia DNA kumulują się, a ich efekty nie muszą występować od razu, lecz nawet dwadzieścia lat po powrocie na Ziemię.

Na niektóre z prac z tego zakresu warto zwrócić szczególną uwagę.

Obserwacja DNA w kosmosie

Naukowcy z Politechniki w Luizjanie opracowali przyrząd, który pozwoli na monitorowanie kwasów deoksyrybonukleinowych w warunkach mikrograwitacji, poza ochronną warstwą ziemskiej atmosfery. Urządzenie jest małe, pobiera niewiele energii i nie potrzebuje osoby obsługującego. W przyszłości może stanowić cenny nabytek NASA, pozwalający na obserwację zdrowia astronautów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, w trakcie dalekich, załogowych wypraw, a także… w misjach bezzałogowych, jako “wykrywacz” organizmów żywych opartych na biochemii podobnej do ziemskiej.

Instrument przejdzie fazę testów w trakcie lotów parabolicznych, gdzie oprócz warunków mikrograwitacji czekają go także przeciążenia (do około 2G). W przypadku sukcesu jego dalszy cel podróży to Międzynarodowa Stacja Kosmiczna i głęboka przestrzeń kosmiczna.

Uszkodzenia DNA można obserwować także w inny sposób – badając wpływ promieniowania na organizmy żywe. Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przeprowadzano już eksperymenty z udziałem zwierząt i roślin. Najlepsze w tym przypadku są nicinie C. elegans. W trakcie eksperymentu ICE-FIRST odkryto, że są one w stanie przetrwać dawkę promieniowania na niskiej orbicie okołoziemskiej. Nadmiernie uszkodzone komórki ulegały apoptazie, nicienie regenerowały się i przeżywały.

C. elegans trafią najprawdopodobniej na Marsa w bezzałogowej misji. Pomoże to w określeniu niebezpieczeństwa związanego z promieniowaniem oraz zmniejszoną grawitacją na tej planecie.

Nicienie mogą stać się naturalnymi biomarkerami stopnia radiacji, co może okazać się potrzebne w trakcie przyszłych, załogowych misji kosmicznych.

Ochrona przed promieniowaniem

Mars nie ma magnetosfery. Jego rozrzedzona atmosfera nie stanowi poważnej przeszkody dla promieniowania słonecznego i kosmicznego. Jednak ile promieniowania ultrafioletowego czy jonizującego dociera tam w rzeczywistości? W jak dużym niebezpieczeństwie znajdowaliby się astronauci w trakcie misji na jego powierzchni? Praktycznych pomiarów ma dokonać instrument RAD (Radiation Assessment Detector) łazika Curiosity (w trakcie misji MSL – Mars Science Laboratory).

Ważący 1,7 kg miernik RAD ma przed sobą niezwykle ważne zadanie. Przez cały czas trwania misji co godzinę przez 15 minut będzie badał natężenie promieniowania – od ciężkich, naładowanych cząstek o masie żelaza do lżejszych. Jest to instrument stricte nakierowany na przyszłe załogowe loty kosmiczne, ponieważ uzyskane dane wskażą, jak grube osłony będzie trzeba zapewnić astronautom na powierzchni. Inną kwestią są badania astrobiologiczne. Według aktualnej wiedzy powierzchnia Marsa jest miejscem niegościnnym, nawet dla ekstremofili, ze względu na wysokie natężenie promieniowania. Informacje pozyskane przez RAD pozwolą na obliczenie minimalnej głębokości występowania hipotetycznych mikroorganizmów.

Co z promieniowaniem w trakcie przelotów między Ziemią a Marsem? Właśnie wtedy DNA jest narażone na największe uszkodzenia. Wysokoenergetyczne naładowane cząstki wyrzucane przez Słońce oraz promieniowanie kosmiczne (głównie w postaci barionów o energiach sięgających 1020 elektronowoltów) stanowią istotne zagrożenie dla DNA w komórkach astronautów. Tarcza w postaci aluminiowej powłoki może się nie sprawdzać ze względu na wymaganą masę. Ochrona wodorowa, wodna lub polietylonowa są dobrymi zamiennikami, ale pojawiają się także inne koncepcje.

Osłony wodorowe wciąż nie dają pewnej ochrony w trakcie długotrwałych misji kosmicznych. Z pomocą może przyjść pomysł rodem z fantastyki naukowej – tarcza magnetyczna wokół statku. Pomysł “minimagnetosfery” pojawił się już w latach 60. XX wieku, został potraktowany jako niepraktyczny, ponieważ uważano, że tylko rozległe pola mogą przynieść ochronę (ponad 100 kilometrowe).

W 2008 roku naukowcy z Science and Technology Facilities Council’s Rutherford Appleton Laboratory, the Universities of York, Strathclyde oraz IST Lisbon, korzystając z wiedzy zdobytej w trakcie badań nad nuklearną fuzją, opracowali model znacznie mniejszej tarczy magnetycznej. Wystarczy kilkaset metrów szerokości, by magnetyczny bąbel mógł stać się ochroną przeciwko naładowanym, zjonizowanym cząstkom ze słonecznych rozbłysków.

Co w przyszłości?

Kolejne lata na pewno będą przynosić nowe wieści z pola kosmicznej genetyki. Ochrona DNA astronauty powinna być jednym z ważniejszych celów załogowych wypraw kosmicznach. Nie tylko ze względu na umożliwienie posiadania dzieci, ale także z powodu zminimalizowania ryzyka zachorowania na nowotwory, szczególnie w trakcie międzyplanetarnego lotu.

Badania takie są także ważne z punktu widzenia astrobiologii. Pozwoli to na określenie, w jak ekstremalnych środowiskach mogło zaistnieć życie zbudowane podobnie do ziemskiego.

Źródła

Czujnik Radiation Assessment Detector:
NASA: Przyrząd RAD łazika Curiosity
kosmonauta.net: Trwają testy przyrządu RAD dla łazika MSL

Badania na C. elegans:
Astrobiology Magazine: Worms on ICE
kosmonauta.net: Terapia RNAi kluczem do załogowych wypraw kosmicznych

Przyrząd do analizy DNA w trakcie misji kosmicznych:
Louisiana Tech University: Louisiana Tech researchers, NASA partner to conduct zero-gravity experiments

Osłony magnetyczne:
Astrobiology Magazine: Spaceship Force Field (artykuł bazuje na relacji prasowej Institute of Physics z maja 2008 roku)

Informacje na temat niekorzystnego wpływu ekstremalnych środowisk na DNA:
Gerda Horneck, André Brack, Paul Clancy, W poszukiwaniu życia. Badania Układu Słonecznego, Prószyński i S-ka

Nicienie C. elegans. Najprawdopodobniej będą pierwszymi eksploratorami na Marsie, ze względu na łatwość w badaniu ich procesów życiowych. Credit: NASA

Oddziaływanie wiatru słonecznego i ziemskiego pola magnetycznego - wizja artystyczna. Czy załogowe statki kosmiczne będą generowały własne tarcze magnetyczne? Według fizyków, będzie to możliwe. Credit: NASA

Share.

Comments are closed.