Beerdiertje in de ruimte

Sterrenkandidaten gezocht: welk dier is uit het juiste hout gesneden?

Mensen zullen niet de eerste aardbewoners zijn die naar de sterren reizen. De onderzoekers van het project Starlight zoeken naar de meest geschikte astronauten voor microsondes die met behulp van lasers een heel eind weg geschoten worden. De kandidaten: beerdiertjes, rondwormen en een niet stuk te krijgen bacterie.

Mensen zullen niet de eerste aardbewoners zijn die naar de sterren reizen. De onderzoekers van het project Starlight zoeken naar de meest geschikte astronauten voor microsondes die met behulp van lasers een heel eind weg geschoten worden. De kandidaten: beerdiertjes, rondwormen en een niet stuk te krijgen bacterie.

Claus Lunau

Je houdt van snelheid en vindt een stevige dosis straling niet erg. En je kunt jaren zonder eten of drinken. Als je aan deze drie criteria voldoet, ben je waarschijnlijk de kandidaat die we zoeken.

Zo zou de personeelsadvertentie ongeveer luiden als het Starlight-project kandidaten zoekt voor een sterrenreis. Maar de advertentie zal waarschijnlijk niet geplaatst worden, want de wezens die in aanmerking komen, kunnen niet lezen.

De strenge eisen sluiten natuurlijk mensen uit, en de ruimtesondes, die met behulp van een laser wegschieten naar de sterren, zullen zeer klein zijn – kleiner dan je pinpas. Daarom willen de Starlight-onderzoekers van de universiteit van Californië - Santa Barbara het vaartuig bemannen met kleine, niet stuk te krijgen wezens: beerdiertjes, rondwormen en bacteriën.

De piepkleine astronauten moeten duidelijk maken hoe biologisch leven wordt beïnvloed door de barre omgeving van de ruimte – en door de extreme versnelling die nodig is om de afstanden naar zelfs de dichtstbijzijnde sterren af te leggen.

Als de dieren de test doorstaan, kunnen mensen misschien hun superkrachten kopiëren – waaronder het unieke wapen van de bacterie Deinococcus radiodurans tegen stralingsschade – en vervolgens zelf naar de sterren reizen.

Extreme laser schiet sonde weg

Gewone raketten zijn volstrekt ontoereikend als de bestemming een ander zonnestelsel is.

De sonde Voyager 1, die in 1977 gelanceerd werd en nu buiten het zonnestelsel is, heeft bijvoorbeeld een snelheid van circa 55.000 kilometer per uur – en daarmee kan het 80.000 jaar duren om onze buurster, Proxima Centauri, te bereiken, op 4,25 lichtjaar of rond de 42 triljoen kilometer afstand.

Proxima Centauri

Het Starlight-project zal microsondes met extreem taaie dieren naar buursterren sturen – zoals Proxima Centauri op 4,25 lichtjaar van de aarde.

© L. Calçada/ESO

Maar de lasertechnologie van het Starlight-project DEEP-IN verhoogt de snelheid van ruimtevaartuigen radicaal.

Vanaf de aarde vertrekt een laserstraal die met sterk geconcentreerde energie een vaartuig bestookt met fotonen (lichtdeeltjes). Het ruimtevaartuig heeft een soort zeil dat de fotonen opvangt en een extreme versnelling inzet.

Een van de doelen van het Starlight-project is het vaartuig te versnellen tot 25 procent van de lichtsnelheid, of bijna 270.000.000 km/h. Met de DEEP-IN-technologie is de reistijd naar Proxima Centauri nog maar 25 jaar.

Winterslaap

Leven gaat op een laag pitje

Om zulke hoge snelheden te bereiken, moeten de wetenschappers van Starlight het gewicht van het vaartuig tot een absoluut minimum beperken. Grote ruimteschepen komen er dus niet – er worden microsondes, zogeheten StarChips, gelanceerd.

Die zijn kleiner en dunner dan een pinpas en wegen hooguit 1 gram, waardoor het veld van mogelijke astronautenkandidaten op slag kleiner wordt.

Starlight laser

Een krachtige laser op aarde bestookt de zeilen van de sonde met lichtdeeltjes. De zwakke druk van het licht versnelt de sonde, die slechts 1 gram weegt, tot 25 procent van de lichtsnelheid.

© Q. Zhang

Maar de organismen die klein genoeg zijn om in de microsondes te stappen, zijn ook om een andere reden ideale astronauten: hun behoeften aan voedsel en vocht zijn veel geringer dan die van grotere organismen. En onder hen slaagt een kleine elite erin de verbranding bijna stop te zetten.

Als ze blootgesteld worden aan extreme omstandigheden, zoals vrieskou, watertekort of voedselgebrek, gaan ze in cryptobiose, een soort winterslaap, tot de omstandigheden weer gunstiger worden.

Beerdiertjes verdragen -273 °C

In cryptobiose houden alle biologische processen op en staat de stofwisseling op een laag pitje, waarbij bijna geen calorieën verbrand worden. De organismen verharden, waardoor ze beter kunnen overleven in extreme omstandigheden, zoals in de interstellaire ruimte.

Het 0,5 mm grote beerdiertje is zo’n kampioen in cryptobiose. Hij kan niet alleen overleven zonder eten of drinken, hij is ook bestand tegen temperaturen van -273°C tot 150°C.

Beerdiertje
© Sebastian Kaulitzki/SPL

Beerdiertje is een beroepsslaapkop

Het diertje kan zeker 100 jaar in cryptobiose blijven. Alle processen stoppen en de stofwisseling daalt tot 0,01 procent van het normale niveau. En het beerdiertje produceert een speciaal eiwit dat zijn DNA tegen stralingsschade beschermt.

  • Straling: 4 sterren
  • Sluimer: 5 sterren
  • Versnelling: 3 sterren

Het beerdiertje heeft zijn uithoudingsvermogen al bewezen tijdens ruimtemissies naar het internationale ruimtestation (ISS), maar ook andere dieren kunnen in cryptobiose gaan, zoals de rondworm Caenorhabditis elegans en de pekelkreeft.

Versnelling

Worm kan 400.000 g aan

Starlight-astronauten moeten niet alleen op een houtje kunnen bijten, maar ook bestand zijn tegen enorme g-krachten.

Bij de beoogde versnelling van het Starlight-project zullen de piepkleine passagiers blootstaan aan 100.000-10.000.000 g.

Mensen kunnen 9 g maar een paar seconden verdragen. Het lichaam voelt dan negen keer zo zwaar aan als normaal en het bloed stroomt zo hard naar de voeten dat het hart niet genoeg bloed naar het hoofd kan pompen.

Door het gebrek aan zuurstof voor de hersenen zullen mensen snel flauwvallen en uiteindelijk sterven.

Om te testen welke organismen zulke heftige versnellingen aankunnen, gebruiken wetenschappers meestal centrifuges. Zo blijkt dat de rondworm C. elegans, slechts 1 millimeter lang, een veelbelovende kandidaat is.

Caenorhabditis elegans
© Steve Gschmeissner/SPL

Worm weerstaat extreme versnellingen

De rondworm C. elegans kan 400.000 g aan. Hij is bestand tegen invriezen en kan ook na tientallen jaren in de vriezer nog jongen voortbrengen. Zijn levenscyclus duurt slechts 14 dagen, wat hem tot een ideaal proefdier maakt.

  • Straling: 1-3 sterren
  • Sluimer: 5 sterren
  • Versnelling: 5 sterren

Onderzoekers van de universiteit van São Paulo in Brazilië stelden C. elegans-wormen bloot aan krachten tot 400.000 g, en tot hun verbazing ontdekten ze geen nadelige gevolgen. Het ging niet ten koste van de levensvatbaarheid, het gedrag, de ontwikkeling of het metabolisme.

De worm doet het dus beter dan het beerdiertje, dat ‘slechts’ 16.000 g kan verdragen.

Straling

Bacterie is stralingskampioen

Buiten de atmosfeer en het magnetisch veld van de aarde worden astronauten blootgesteld aan intense kosmische straling.

Mensen in de ruimte staan bloot aan een straling van 50-2000 mSv (millisievert). Maar alles boven de 100 mSv is gevaarlijk voor de gezondheid. Slechts 1 mSv is gelijk aan drie röntgenfoto’s van de borstkas.

100 Gy in de stralingsdosis doodt de meeste dieren. De bacterie Deinococcus radiodurans overleeft 10.000 Gy.

Beerdiertjes kunnen alle ioniserende straling overleven. In één experiment overleefde de helft van de beerdiertjes die 18 uur lang bestookt werden met gammastraling van 4700 Gy (gray).

Veruit de meeste organismen sterven aan straling van meer dan 100 Gy, maar beerdiertjes zijn niet de enige die een hoge tolerantie hebben: de kampioen Deinococcus radiodurans kan tegen gammastraling van 10.000 Gy.

Deinococcus radiodurans
© Michael J Daly/SPL

Bacterie is bestand tegen sterke straling

Deinococcus radiodurans maakt talrijke kopieën van zijn genoom en heeft enzymen die stralingsschade aan het DNA herstellen. Daardoor kan hij gammastraling van 10.000 Gy aan. De bacterie is ook bestand tegen extreme versnelling.

  • Straling: 5 sterren
  • Sluimer: 4 sterren
  • Versnelling: 5 sterren

Ter vergelijking: 4 Gy zou genoeg zijn om de helft van een groep mensen te doden, en meer dan 20 Gy zou iedereen doden.

Proefdieren ontdooien bij aankomst

Het Starlight-project krijgt steun van NASA, maar wanneer het gerealiseerd kan worden is nog maar de vraag. De wetenschappers achter het project hebben echter al voor ogen hoe de reis naar de sterren zal verlopen als de beste kandidaat eenmaal is geselecteerd.

Honderden taaie wezentjes zullen in hun cryptobiose worden bevroren en gelanceerd naar Proxima Centauri of een andere buurster van de zon.

Als de ruimtesondes hun bestemming naderen, worden de bevroren passagiers uit hun jarenlange sluimer gewekt door de hitte van een beetje plutonium. Via een reeks experimenten wordt bepaald hoe versnelling en ruimte de voortplanting, stofwisseling en veroudering van dieren beïnvloeden.

25 jaar duurt de 42 biljoen kilometer lange reis naar de buurster Proxima B met door lasers aangedreven sondes.

Al zijn de kleine astronauten heel anders dan wij, er zijn ook veel overeenkomsten – meer dan 80 procent van de eiwitten van de worm C. elegans is in een bepaalde variant ook in de mens aanwezig.

C. elegans kan getraind worden om bepaalde geuren met voedsel te associëren, en kon in experimenten op aarde 40 uur onthouden wat hij geleerd had. Wetenschappers willen nu zijn geheugen in de ruimte testen, want dat kan uitwijzen hoe sterrenreizen mensen mogelijk beïnvloeden.

Mensen maken de volgende reis

Misschien kunnen de Starlight-lasers op een dag opgeschaald worden om niet alleen microsondes maar ook echte ruimtevaartuigen met mensen aan boord naar de sterren te schieten.

Wetenschappers onderzoeken nu al of mensen toegerust kunnen worden met eigenschappen die beerdiertjes, rondwormen en bacteriën tot ideale astronauten maken.

Mensen kunnen waarschijnlijk niet in cryptobiose gaan, maar wel enkele maanden in een sluimertoestand met een lagere stofwisseling gebracht worden.

Sterrenreizen bieden onmenselijke uitdagingen: stralingsbombardementen, verpletterende versnellingen en jaren reistijd. Maar sommige problemen kunnen we oplossen door van de dieren te leren.

DNA-strengen
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Gentherapie beschermt tegen straling

Het beerdiertje beschermt zijn cellen tegen straling met het eiwit Dsup. In experimenten waarbij onderzoekers het gen achter dit eiwit in menselijke cellen inbrachten en ze blootstelden aan röntgenstraling, was de DNA-schade 40 procent minder.

G-kracht
© Hulton Archive/Getty Image

Mensen zijn g-kracht-beginners

Voor sterrenreizen binnen een mensenleven is extreme snelheid nodig. De Starlight-sondes moeten gelanceerd worden bij versnellingen boven 100.000 g, maar mensen vallen flauw en sterven na een paar minuten bij 9 g. Hiervoor is nog geen oplossing.

Slapende astronaut
© Henning Dalhoff/SPL

Astronauten moeten de hele weg slapen

Om tijdens de reis eten en drinken te sparen, moeten astronauten sluimeren in een toestand die torpor genoemd wordt. Wetenschappers hebben ratten in torpor gebracht met medicijnen die delen van de hersenen uitschakelen die de stofwisseling regelen.

Sterrenreizen blijven uitdagend voor mensen, niet in de laatste plaats door de extreme versnelling. Maar als de problemen op een dag overwonnen kunnen worden, kunnen we miniwezens die uit het juiste hout gesneden zijn, bedanken voor het effenen van de weg naar de sterren.