Cladosporium sphaerospermum als lebender Strahlungsschutz im Weltraum

Nach der Nuklearkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 rechneten Wissenschaftler mit einer Todeszone, in der kaum etwas überleben könnte. Stattdessen stießen sie auf Lebewesen, die Wege zur Anpassung und zum Überleben gefunden hatten. Ein wichtiges Beispiel war ein verbreiteter schwarzer Pilz namens Cladosporium sphaerospermum.

Forscher kannten diesen Pilz bereits seit mehr als einem Jahrhundert, doch sein Verhalten in Tschernobyl weckte besonderes Interesse. Er schien Strahlung nicht nur zu ertragen, sondern in ihre Richtung zu wachsen und Flächen mit den höchsten Strahlungswerten zu besiedeln.

Cladosporium sphaerospermum im Weltraum

Auf Umwegen ist das eine vielversprechende Nachricht für Astronauten. Raumfahrt bringt ein Problem mit sich, das auf Fotos unsichtbar bleibt: Strahlung.

Außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde treffen hochenergetische Teilchen auf Raumfahrzeuge und die Menschen an Bord. Diese Teilchen können DNA schädigen und langfristige Gesundheitsrisiken erhöhen.

Ingenieure können zusätzliche Abschirmung einbauen, doch jede ins All transportierte Masse von 1 Kilogramm verursacht bei Raketen einen „Gewichtszoll“. Bei Missionen in den tiefen Weltraum müssen Planer diesen Zielkonflikt berücksichtigen.

Deshalb stellen einige Wissenschaftler eine andere Frage: Könnte ein lebender Organismus zu einem sich selbst erneuernden Strahlungsschutz heranwachsen?

Im Mittelpunkt steht der dunkle Pilz Cladosporium sphaerospermum, einer jener „schwarzen“ Pilze, die große Mengen Melanin bilden.

Beim Menschen trägt Melanin dazu bei, Zellen vor ultraviolettem Licht zu schützen. Bei diesen Pilzen vermuten Forscher, dass Melanin auch Schäden durch ionisierende Strahlung verringern kann.

Ionisierende Strahlung besitzt genug Energie, um Elektronen aus Atomen herauszulösen und schädliche chemische Reaktionen auszulösen.

Einige Pilze aus besonders radioaktiven Regionen der Erde zeigen sogar „positiven Radiotropismus“; das bedeutet, dass sie anscheinend in Richtung der Strahlung wachsen.

Für die weiter gefasste Annahme, Strahlung könne den Stoffwechsel eines Organismus unterstützen, verwenden Forscher zudem den Begriff „Radiotrophie“. Diese Hypothese bleibt jedoch umstritten und ist schwer nachzuweisen.

CubeLab-Modul auf der ISS

Die Forscher schickten den Pilz in einem autonom arbeitenden CubeLab-Modul zur Internationalen Raumstation (ISS).

Die ISS umkreist die Erde noch innerhalb eines großen Teils ihres magnetischen Schutzes, ist aber dennoch einer höheren Strahlung ausgesetzt als Menschen am Boden.

In der Box befanden sich zwei Raspberry-Pi-Computer, eine Kamera mit integrierter Lichtquelle, Sensoren für Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie zwei Strahlungssensoren.

Die Proben lagen in einer geteilten Petrischale. Eine Hälfte enthielt Kartoffel-Dextrose-Agar mit dem Pilz.

Die andere Hälfte war mit demselben Agar ohne Pilz gefüllt und diente damit als integrierte Negativkontrolle, also als Vergleichsprobe ohne Pilz.

Messung der Weltraumstrahlung auf der ISS

Je ein Strahlungssensor war unter einer Hälfte der Schale angebracht, sodass beide Sensoren durch nahezu identische Materialien nach oben „blickten“. Nur auf einer Seite entstand eine Schicht aus Pilzbiomasse.

Dieser Aufbau war entscheidend, weil die Strahlung rund um die ISS während ihres Umlaufs schwankt.

Das Team richtete Schale und Sensoren außerdem von der Erde weg aus. Die Abschirmung durch den Planeten und die Struktur der Raumstation kann beeinflussen, was Detektoren messen.

Wachstum von Cladosporium sphaerospermum

Während des Transports hielten die Forscher die beimpften Platten bei etwa 4 °C kühl, damit der Pilz vor Beginn der Beobachtungen kaum wachsen konnte.

Auf der ISS nahm das System über 576 Stunden alle 30 Minuten Bilder auf und sammelte mehr als tausend Aufnahmen. Temperatur und Luftfeuchtigkeit wurden häufig erfasst; die Strahlungszählwerte zeichnete das System im Mittel etwa alle 1,5 Minuten auf.

Der gesamte Versuch lief ungefähr 622,5 Stunden, und jeder Strahlungssensor registrierte mehrere Zehntausend Zählwerte.

Um das Wachstum ohne Berührung der Schale zu bestimmen, werteten die Forscher die Bilder aus. Veränderungen der Helligkeit nutzten sie als Ersatzmaß dafür, wie viel Pilzmaterial den Agar bedeckte.

Anschließend überführten die Experten diese Werte in eine Skala der „relativen optischen Dichte“ von null bis eins. Kontrollproben auf der Erde durchliefen dieselben Temperaturveränderungen im Zeitverlauf und wurden mit der gleichen Fotomethode untersucht.

Ihnen fehlte jedoch die Weltraumumgebung. So konnte das Team fragen: „Wuchs der Pilz dort oben anders als hier unten?“

Was die Wachstumsdaten nahelegen

Die Temperatur im ISS-Gehäuse stieg rasch an und stabilisierte sich anschließend bei durchschnittlich etwa 31,5 °C. Unter diesen Bedingungen bedeckte der Pilz den Agar vollständig.

Bei der Modellierung der Wachstumskurve schätzten die Autoren, dass die Wachstumsrate im Orbit etwa 1,21-mal so hoch wie bei der Bodenkontrolle war, also ungefähr 21 % höher lag.

Die Forscher bewerteten dieses Muster als vereinbar mit einer möglichen „radioadaptiven“ Reaktion. Strahlung könnte dabei eine Rolle spielen, doch auch Mikrogravitation verändert die Bewegung von Flüssigkeiten und die Wechselwirkungen zwischen Zellen, was das Wachstum beeinflussen kann.

Strahlungssensoren der ISS

Die Strahlungssensoren funktionierten nicht wie die Dosimeter, die beispielsweise aus der medizinischen Bildgebung bekannt sind.

Sie zählten ionisierende Ereignisse, lieferten für das Experiment jedoch keinen direkt nutzbaren „Dosiswert“ in Millisievert.

Da beide Sensoren gleichzeitig unter derselben Schale arbeiteten, ermöglichte der Versuchsaufbau einen unmittelbaren Vergleich.

Über die gesamte Laufzeit registrierte der Sensor unter der Pilzseite pro Minute geringfügig weniger Zählwerte als der Sensor unter der Kontrollseite: etwa 147 gegenüber 151 Zählwerten pro Minute.

Auch diese Differenz veränderte sich im Verlauf der Zeit. Zu Beginn lagen die Messwerte der Sensoren näher beieinander, weil die Pilzschicht noch dünn erschien.

Später nahm der Abstand zu, nachdem der Pilz eine stabile Schicht aufgebaut hatte. Dieser zeitliche Verlauf machte es weniger wahrscheinlich, dass ein Sensor von Anfang an lediglich zu niedrige Werte erfasste.

Warum Melanin und Wasser wichtig sind

Melanin steht im Zentrum der Hypothese. Strahlung kann reaktive Moleküle erzeugen, während Melanin Energie aufnehmen und einen Teil der chemischen Schäden neutralisieren kann, die diese Moleküle verursachen.

Die Studie verweist zudem auf eine einfachere materialwissenschaftliche Erkenntnis: Wasserstoffreiche Materialien verlangsamen häufig bestimmte Arten von Weltraumstrahlung, insbesondere energiereiche Protonen und Neutronen.

Lebende Biomasse enthält viel Wasser, und Wasser wiederum enthält viel Wasserstoff. Eine dicke Schicht feuchten biologischen Materials kann deshalb pro Masseneinheit als nützliche Abschirmung wirken, noch bevor eine besondere Wirkung der Melaninchemie berücksichtigt wird.

Die Autoren beschrieben den Abschirmungseffekt bewusst vorsichtig und verwendeten Formulierungen wie „könnte“ und „möglicherweise“, denn die Abschirmung hängt von Teilchenart, Energie, Dicke und Geometrie ab.

Hochenergetische kosmische Strahlung kann beim Auftreffen auf Abschirmungen zudem Sekundärteilchen bilden. Bevor Ingenieure irgendein Material als Lösung ansehen, sind daher sorgfältige Messungen mit präziserer Dosimetrie, also Strahlendosismessung, erforderlich.

Grenzen des Experiments

Bei dieser Studie handelte es sich um einen Machbarkeitsversuch mit einer einzigen kleinen Nutzlast, was die Sicherheit allgemeiner Schlussfolgerungen begrenzt.

Der Pilz wuchs in einer versiegelten Petrischale mit Agar und einem kleinen Gasraum, wodurch sich nicht jeder mögliche Einflussfaktor eindeutig voneinander trennen lässt.

Vor allem belegt das Experiment keine „Radiosynthese“ im starken Sinn, also nicht, dass „der Pilz von Strahlung lebt, wie Pflanzen von Sonnenlicht leben“.

Weiterführende Untersuchungen können leistungsfähigere Sensoren und wiederholte Versuche einsetzen, um zu prüfen, wie stabil der Effekt unter unterschiedlichen Bedingungen bleibt.

Zukunft von Cladosporium sphaerospermum

Das Konzept eines lebenden Strahlungsschutzes passt zur Nutzung von Ressourcen vor Ort, meist als ISRU abgekürzt. Dahinter steht die Idee, dass Astronauten nützliche Materialien an ihrem Ziel herstellen sollten, statt alles von der Erde mitzuführen.

Ein Pilz wie Cladosporium sphaerospermum könnte theoretisch aus einer kleinen Probe zu einer dickeren Schicht heranwachsen und sich nach Schäden selbst reparieren.

Die Autoren erörtern außerdem, Pilzbiomasse oder Melanin mit lokal verfügbaren Materialien wie Mond- oder Marsboden zu vermischen. So könnten „lebende Verbundwerkstoffe“ entstehen, die tragende und schützende Funktionen vereinen.

Bei Raumfahrzeugen kombinieren Konstrukteure bereits verschiedene Schutzmaßnahmen, darunter Flugbahnplanung, die Überwachung der Sonnenaktivität und speziell ausgewiesene Schutzbereiche für kurze, intensive Ausbrüche von der Sonne.

Eine biologische Schicht könnte, falls sie sich als zuverlässig und berechenbar erweist, eine weitere Option innerhalb dieses umfassenderen Konzepts sein.

Die vollständige Studie erschien in der Fachzeitschrift Frontiers in Microbiology.