Experimente
"Außenposten" im All
Internationale Raumstation ISS
theme

Expose-E - ADAPT und PROTECT: Organismen als Überlebenskünstler (abgeschlossen)

Autoplay
Info an
Info aus
Informationen
Schließen
Vollbild
Normal
zurück
vor
{{index}}/{{count}}
Tipp:
<Escape>, um fullscreen zu beenden.
  • Demontage der Expose%2dEuTEF%2dAnlage

    Demontage der Expose-EuTEF-Anlage

    Die Astronauten John Olivas and Nicole Stott bei der Arbeit außen am Columbus-Modul: Sie entfernen die Expose-EuTEF-Anlage mit den Expose-E-Proben, um sie zur Erde zurückzubringen.

  • Vakuumdichte Verpackung

    Vakuumdichte Verpackung

    Die Expose-E-Proben sind für den Transport zur ISS vakuumdicht verpackt.

  • Entnahme der Proben auf den Kammern

    Entnahme der Proben aus den Kammern

    Vorsichtig werden die Proben nach ihrer Rückkehr zur Erde im DLR in Köln aus den Kammern genommen.

  • Die Experimentanlage Expose%2dEuTEF

    Die Experimentanlage Expose-EuTEF

    Die Experimentanlage Expose-EuTEF (European Technology Exposure Facility) an der Außenseite des europäischen Columbus-Labors

  • Astronauten John Olivas and Nicole Stott demontieren Expose%2dEuTEF

    Astronauten John Olivas and Nicole Stott demontieren Expose-EuTEF

    Die Astronauten John Olivas and Nicole Stott demontieren am 1. September 2009 in einem sechseinhalbstündigen Außenbordeinsatz die Expose-EuTEF (European Technology Exposure Facility) mit den Expose-E-Proben, um sie zur Erde zurückzubringen.

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

In der ESA-Anlage Expose, angebracht an der Außenhülle des europäischen Columbus-Moduls, wurden verschiedene Organismen den harten Weltraumbedingungen ausgesetzt, um Antworten auf wichtige astrobiologische Fragen zu finden: Können Bakterien oder Pflanzensamen unter diesen extremen Bedingungen überleben? Wenn ja, wie lange? Könnte das Leben auf anderen Himmelskörpern entstanden und dann zur Erde transportiert worden sein (Panspermie-Hypothese)? Können Landekapseln irdisches Leben auf fremde Planeten bringen? Um diese Fragen zu beantworten, wurden im Rahmen des Projekts Expose-E insgesamt acht wissenschaftliche Experimente auf der Internationalen Raumstation durchgeführt - vier davon unter Federführung deutscher Wissenschaftler vor allem aus dem DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin.

Im Experiment ADAPT (Horneck, DLR Köln) sollte die Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen gegenüber verschiedenen Strahlungsarten und Strahlungsdosen, wie sie zum Beispiel auf der Erde oder auf dem Mars vorkommen, untersucht werden. Die Marsatmosphäre unterscheidet sich deutlich von der, die unsere Erde schützt: Die Zusammensetzung der Marsatmosphäre und der dort herrschende, niedrige Druck verhindern nicht, dass energiereiche, biologisch wirkungsvolle ultraviolette B- und C-Strahlung die Oberfläche des Mars erreicht. Diese Bedingungen könnten aufgrund des Selektionsdrucks die Resistenz einiger Organismen gegenüber UV-Strahlung erhöhen.

Die Wissenschaftler haben speziell die Anpassungs- und Überlebensstrategien von drei, aus verschiedenen Habitaten stammenden, sehr resistenten Mikroorganismen untersucht: erstens von dem Cyanobakterium Anabaena cylindrica (eine Blaualge), zweitens von dem salzliebenden Archaeon (Urbakterium) Halococcus dombrowskii und drittens von Bacillus subtilis, einem weitverbreiteten Bodenbakterium, das dafür bekannt ist, in seiner Überdauerungsform als Spore sowohl Austrocknung als auch hohe Dosen solarer UV-Strahlung überleben zu können.

Das Projekt PROTECT (Rettberg, DLR Köln) untersucht den Einfluss von Weltraumbedingungen auf das Überleben von bakteriellen Endosporen, die sehr resistent gegenüber einer Vielzahl von Umwelt-Extremen sowie einer Reihe von Sterilisationsverfahren sind. Laborstudien mit Sporen von Mikroorganismen, isoliert von Raumfahrzeugen beziehungsweise aus Raumfahrzeug-Montage-Anlagen (spacecraft assembly facilities SAF), wie zum Beispiel von Bacillus pumilus, zeigten eine erhöhte Resistenz gegen UVStrahlung im Vergleich zu Sporen von verwandten Labor-Stämmen. Dies führte zu der Hypothese, dass die besonderen Bedingungen der ultrareinen SAF und der dort für die Raumfahrzeuge angewandten Reinigungs- und Dekontaminierungsmaßnahmen es ermöglichen, dass eine Auswahl der resistentesten Mikroorganismen überleben. PROTECT sollte eine Stammsammlung dieser "unverwüstlichen" Mikroorganismen, die von Raumfahrzeugen und/oder aus SAF isoliert wurden, aufbauen. Deren Resistenzverhalten wurde dann gegenüber ausgewählten, aus anthropogener Sicht extremen Umweltbedingungen - wie zum Beispiel die des Weltraums - bestimmt: im Kontext der "Planetary Protection"-Maßnahmen eine sehr wichtige Forschungsrichtung. Zusätzlich zu den astrobiologischen Experimenten ADAPT und PROTECT wurden in den beiden Experimenten DOSIS (Reitz, DLR Köln) und R3D-E2 (Häder, Universität Erlangen) die extraterrestrische sowie die UV-Strahlung gemessen, denen die Organismen bei ihrem Aufenthalt im Weltraum ausgesetzt sind. Dies ist für eine Charakterisierung der Umgebungsbedingungen unerlässlich.

Experimentbeschreibung:

Sowohl für ADAPT als auch für PROTECT wurden die Proben auf der Erde in die dafür vorgesehenen Behälter eingesetzt. Expose-E wurde mit allen Probenbehältern bestückt. Ein Teil der Kammern wurde mit Stickstoffgas gefüllt, ein anderer mit Mars-ähnlichem Gas aus überwiegend Kohlendioxid bei Mars-ähnlichem Druck. Danach wurde die gesamte Expose-E-Einheit geschlossen.

Zusammen mit anderen Experimenten wurde Expose-E auf der European Technology Exposure Facility (EuTEF) mit dem Shuttle-Flug STS-122 auf den Weg zur ISS gebracht und dort an der Columbus-Außenseite für rund anderthalb Jahre den Weltraumbedingungen ausgesetzt. Die auf der Erde mit Stickstoffgas gefüllten Probenbereiche von Expose-E wurden gegenüber dem Weltraumvakuum geöffnet und somit evakuiert. Die mit Mars-Gas bei niedrigem Druck gefüllten Bereiche blieben geschlossen. Durch diese Versuchsanordnung und die Auswahl der optischen Fenster und Filter wurden die Proben verschiedenen Bedingungen ausgesetzt: erstens nur dem Weltraumvakuum im Dunkeln, zweitens dem Weltraumvakuum in Kombination mit solarer extraterrestrischer UV-Strahlung verschiedener Intensitäten ("Space-Bedingungen"), drittens einer simulierten Mars-Atmosphäre durch das CO2-haltige Mars-Gas und viertens der simulierten Marsatmosphäre in Kombination mit der UV-Strahlung ("Mars-Bedingungen").

Status:

Die Anlage Expose-E wurde am 7. Februar 2008 mit der Columbus-Mission STS-122 zur ISS gebracht und bei einem anschließenden Außenbordeinsatz auf der Außenseite des europäischen Labors installiert. Dort blieb sie bis zum Herbst 2009 und wurde dann mit einem weiteren Shuttle-Flug (STS-128) am 12. September 2009 wieder zur Erde zurückgebracht. Die Proben wurden ausgebaut und zur Analyse in die entsprechenden Forschungsinstitute gesandt.

Ergebnisse:

ADAPT: Die Weltraumexposition mit extraterrestrischer UV-Strahlung in Kombination mit Weltraumvakuum führte zu einer starken Inaktivierung der Sporen. Überlebende Zellen konnten nur in der untersten Schicht der Stapel gefunden werden. In der obersten Schicht direkt unter den Neutralfiltern, die die extraterrestrische UV-Strahlung auf ein Tausendstel verringerte, überlebten lediglich zehn Prozent der Mikroorganismen. Die Marsatmosphäre (bei geringem Druck) und die Marsstrahlung wirkte sich weniger schädlich aus: Es überlebten wesentlich mehr Organismen unter den Bedingungen des Roten Planeten als unter vollständiger Exposition. Die Mars-Überlebensrate sank im Vergleich zu den Organismen, die nicht vollständig den harten Weltraumbedingungen ausgesetzt wurden, nur zu einem geringen Prozentsatz.

PROTECT: Nach ihrer Rückkehr wurden die exponierten Sporen von PROTECT nach folgendem Analyse-Programm untersucht: erstens Vitalität und Überleben, zweitens Bestimmung der induzierten Mutationen, drittens Untersuchung der DNA-Schäden, viertens Genexpressionsanalysen und fünftens eine Charakterisierung des Erbguts und der Proteine. Die Konfrontation von Sporen - in Einfach- sowie Multischichten - mit UV-Strahlung hat einen dramatischen Effekt auf deren Überleben: Sporen, die solarer UV-Strahlung (> 110 Nanometer) ausgesetzt waren, wurden um bis zu fünf Größenordnungen stärker inaktiviert als Sporen, die von UV-Strahlung abgeschirmt waren. In einem parallelen Ansatz wurden Sporen der UV-Strahlung (> 220 Nanometer) ähnlich des Mars-Strahlenspektrums ausgesetzt. Diese Sporen wurden etwas weniger inaktiviert (zwei bis drei Größenordnungen), während teilweise beziehungsweise vollständige Abschirmung von der Mars-UV-Strahlung und der Exposition von Marsumgebungsbedingungen wie zum Beispiel Atmosphäre und Druck, das Sporenüberleben nur geringfügig beeinflusst hat. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse von ADAPT und PROTECT die enorme Überlebensfähigkeit von Mikroorganismen und Sporen - vor allem, wenn sie vor Weltraumvakuum und extrem kurzwelliger Strahlung geschützt sind.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Experimente wie ADAPT helfen uns dabei, Anpassungsstrategien und zugrundeliegenden Stoffwechselwege, die in der Evolution eine Rolle spielen, besser zu verstehen. Damit erweitern diese Experimente unser Wissens über die Entstehung und Verbreitung des Lebens im Allgemeinen und das Überleben in extremen Umweltbedingungen im Besonderen.

Ein Beispiel aus den letzten Jahren für die Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus Experimenten und dem Wissen um Leben in extremen Umweltsituationen ergeben, ist die Entwicklung der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR), die durch eine hitzestabile Polymerase möglich wurde. Diese Enzyme helfen bei der Vermehrung der Erbinformation und schaffen die Voraussetzung für die Zellteilung. Sie stammen von Organismen, die hohe Temperaturen bevorzugen (Thermophilie), und bleiben auch bei zunächst als tödlich angenommenen, hohen Temperaturen funktionsfähig. Sie haben so die Forschung revolutioniert.

Die Ergebnisse von PROTECT helfen dabei, "Planetary Protection" sowie Sterilisationsmaßnahmen von Reinräumen besser entwickeln und beurteilen zu können. Sie bereichern darüber hinaus unser Verständnis zur Entstehung und Verbreitung des Lebens. Erkenntnisse zu den Überlebensstrategien von Mikroorganismen in streng kontrollierten und gereinigten Räumen spielen auch bei der Entwicklung von Desinfektionsmethoden, zum Beispiel für Kliniken, eine Rolle.

Start: 7. Februar 2008 / Space Shuttle Atlantis (STS-122)
ISS-Zeitraum Februar 2008 bis September 2009
Unterbringung EuTEF am Columbus-Modul
Experimentator Prof. Dr. Gerda Horneck; Dr. Petra Rettberg; Dr. Günther Reitz; Prof. Dr. Donat-Peter Häder
Einrichtung DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Köln; Universität Erlangen
Bereich Strahlenbiologie
Partner ESA; NASA; nationale und internationale Forschungsinstitute

 

Zuletzt geändert am:
02.07.2014 15:43:12 Uhr