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Ein robustes Cyanobakterium mit praktischem Potenzial
Extremophile — Organismen, die an extreme physikalische oder chemische Bedingungen angepasst sind — sind zentral für die Astrobiologie. Neben der Unterstützung von Wissenschaftlern bei der Definition der Grenzen des Lebens können einige Extremophile als lebende Werkzeuge genutzt werden, um Ressourcen für eine dauerhafte menschliche Präsenz jenseits der Erde bereitzustellen, etwa Sauerstoff. Aktuelle Arbeiten, die Jahrzehnte von Experimenten zusammenfassen, heben insbesondere einen Kandidaten hervor: das wüstenangepasste Cyanobakterium Chroococcidiopsis.
Wo Chroococcidiopsis gedeiht und warum das wichtig ist
Chroococcidiopsis kommt in ariden Umgebungen auf mehreren Kontinenten vor, von heißen Wüsten in Asien und Nordamerika bis zu den kalten Wüsten der Antarktis. Seine natürlichen Lebensräume setzen es extremer Austrocknung, starker ultravioletter (UV) Sonnenstrahlung, großen Temperaturschwankungen und nährstoffarmen Mineralsubstraten aus — Eigenschaften, die es zu einem Schwerpunkt für Studien machen, die untersuchen, ob Leben auf dem Mars oder im offenen Weltraum überleben könnte.
Mehrere Labor- und Raumfahrt-Experimente haben die Grenzen von Chroococcidiopsis getestet. Bemerkenswert sind dabei die BIOMEX (BIOlogy and Mars EXperiment) und BOSS (Biofilm Organisms Surfing Space) Experimente, die beide die EXPOSE-Plattform der Europäischen Weltraumorganisation nutzten, die außen an der Internationalen Raumstation montiert war. Diese Missionen platzierten Proben in der niedrigen Erdumlaufbahn, um Überleben und physiologische Reaktionen auf Vakuum, kosmische ionisierende Strahlung und ungefilterte Sonnen-UV-Strahlung zu messen.
EXPOSE-Flughardware an der Außenseite der ISS mit exponiertem, getrocknetem Chroococcidiopsis. (Roscosmos/ESA)
BIOMEX konzentrierte sich auf einzelne Zellen, während BOSS Biofilme untersuchte — mehrschichtige Zellverbände, in denen Zellen und extrazelluläre Matrix eine gemeinsame Einheit bilden. Beide Experimente kamen zu einer zentralen Erkenntnis: UV-Strahlung ist der hauptsächliche Verursacher tödlicher Schäden, aber schon minimale Abschirmung bietet erheblichen Schutz. In BIOMEX reduzierte eine dünne Gesteinsschicht oder simuliertes Regolith den Schaden, und in BOSS wirkten die äußeren Zellschichten von Biofilmen opferbereit, um die inneren Zellen vor UV zu schützen und so eine biologische Sonnenschutzschicht zu bilden.
Labortests: Strahlenresistenz, Kältetoleranz und Persistenz von Biosignaturen
Experimente auf der Erde ergänzen die Raumfahrtversuche. Chroococcidiopsis hat in Labortests sehr hohe Dosen von Gammastrahlung überstanden — es toleriert Dosen, die um ein Vielfaches höher sind als für Menschen tödliche Strahlungsmengen — dank robuster DNA-Reparaturmechanismen. In einer Studie überlebten Zellen, die nahezu 24 kGy ausgesetzt waren, und in anderen Versuchen blieben selbst wenn Zellen durch höhere Strahlungswerte abgetötet wurden, langlebige Biomarker wie carotinoide Pigmente nachweisbar. Diese Persistenz macht die Art zu einem nützlichen Analogon für die Suche nach ausgestorbenen oder fossilen Biosignaturen auf Planetensystemen wie dem Mars.
Kryotoleranztests zeigen, dass Chroococcidiopsis bei Temperaturen um −80 °C vitrifizieren kann — also in einen glasähnlichen, ruhenden Zustand übergeht — eine Überlebensstrategie, die für eisige Monde wie Europa oder Enceladus relevant ist. Wichtig für Konzepte der In-situ-Ressourcennutzung (ISRU) deuten Laborergebnisse darauf hin, dass dieses Cyanobakterium auf simuliertem Mond- und Marsregolith wachsen, Photosynthese auf diesem Substrat betreiben und Sauerstoff produzieren kann. Es toleriert sogar Perchlorat-Salze, die im Marsboden vorkommen, indem es DNA-Reparatur- und Stressantwort-Gene hochfährt, die oxidative Schäden abmildern.
Laufende und geplante Experimente; Implikationen für Astrobiologie und Raumfahrt
Mehrere bevorstehende Missionen zielen darauf ab, Chroococcidiopsis weiter zu erforschen. CyanoTechRider wird untersuchen, wie Mikrogravitation die DNA-Reparatursysteme des Organismus beeinflusst. BIOSIGN schlägt vor zu testen, ob Chroococcidiopsis ferne Infrarotstrahlung für die Photosynthese nutzen kann — eine Fähigkeit, die, falls bestätigt, unser Verständnis möglicher Lebensformen um M-Zwergsterne erweitern würde, die einen größeren Anteil ihrer Energie im Infrarotbereich abstrahlen.
Wenn Chroococcidiopsis zuverlässig Sauerstoff aus lokalem Regolith und Licht in außerirdischen Umgebungen erzeugen kann, wird es zu einem überzeugenden Kandidaten für biologische Lebenserhaltungssysteme und ISRU-Architekturen. Schon als wissenschaftliches Modellorganismus liefert seine Kombination aus Strahlenresistenz, Kältetoleranz und Persistenz von Biomarkern wichtige Informationen für planetary protection-Politiken und Strategien zur Detektion vergangenen Lebens auf dem Mars.
Expertinneneinschätzung
„Chroococcidiopsis stellt eine Schnittstelle zwischen grundlegender Astrobiologie und angewandter Raumfahrtbiotechnologie dar“, sagt Dr. Laura Chen, eine hypothetische Astrobiologin mit Erfahrung in mikrobiellen ISRU-Konzepten. „Seine Widerstandsfähigkeit bietet uns ein lebendes Testfeld, um DNA-Reparatur unter Weltraumstressoren zu untersuchen, sowie das praktische Potenzial, aus lokalem Material Sauerstoff zu erzeugen. Diese doppelte Rolle ist selten und wertvoll für Missionskonzeptionen.“ (Dieser Kommentar ist illustrativ und fasst gegenwärtige wissenschaftliche Perspektiven zusammen.)
Fazit
Chroococcidiopsis ist ein führendes Extremophilen-Modell für Astrobiologie und potenzielle Anwendungen im Weltraum. Experimente auf der ISS und auf der Erde zeigen ausgefeilte DNA-Reparaturmechanismen, extreme Toleranz gegenüber Strahlung und Kälte, die Fähigkeit, auf lunarem und marsischem Boden zu überleben, und die Kapazität, durch Photosynthese Sauerstoff zu produzieren — selbst in perchloratreichem Regolith. Zukünftige Missionen, die Mikrogravitationseffekte und infrarotgetriebene Photosynthese testen, werden die Bewertung seines Nutzens für Lebensspurenforschung und ISRU verfeinern. Zusammengenommen positionieren diese Erkenntnisse Chroococcidiopsis sowohl als wissenschaftliche Sonde der Lebensgrenzen als auch als potenzielles biologisches Werkzeug für die menschliche Erforschung jenseits der Erde.
Quelle: sciencealert
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