Karhukainen avaruudessa

Retkikunta matkalle tähtiin: ehdokkaille kovat vaatimukset

Ensimmäiset Maan asukkaat, jotka lähtevät matkalle tähtiin, eivät ole ihmisiä. Starlight-hankkeen tutkijat etsivät soveliaimpia eliöitä matkalle avaruusluotaimella Auringon naapuritähdille. Lasersäteen avulla liikuteltavien luotainten kyytiin lähtee todennäköisesti karhukaisia, sukkulamatoja tai bakteereja.

Ensimmäiset Maan asukkaat, jotka lähtevät matkalle tähtiin, eivät ole ihmisiä. Starlight-hankkeen tutkijat etsivät soveliaimpia eliöitä matkalle avaruusluotaimella Auringon naapuritähdille. Lasersäteen avulla liikuteltavien luotainten kyytiin lähtee todennäköisesti karhukaisia, sukkulamatoja tai bakteereja.

Claus Lunau

Pidät vauhdikkaasta matkanteosta ja kestät reilujakin säteilyannoksia. Selviät myös vuosia syömättä ja juomatta. Jos täytät nämä ehdot, saatat olla sopiva jäsen retkikuntaamme.

Jos yhdysvaltalaistutkijoiden Starlight-hankkeeseen etsittäisiin osanottajia lehti-ilmoituksella, siinä voisi lukea jotakin tuollaista. Tutkijat eivät kuitenkaan ole laatimassa lehti-ilmoituksia, sillä sopivat hakijat eivät lue lehtiä.

Näin kovat ehdot karsivat tietysti ihmiset pois, eikä ihminen edes mahtuisi mukaan. Luotaimet, jotka aiotaan lähettää matkalle kohti Auringon naapuritähtiä, ovat pankkikorttia pienempiä. Luotainten on määrä kulkea avaruudessa lasersäteen työntämänä. Starlight-tutkimushankkeen taustalla olevat Kalifornian yliopiston tutkijat etsivät retkikuntaan ihmistä paljon kestävimpiä otuksia: karhukaisia, sukkulamatoja ja bakteereja.

Mikroskooppisten astronauttien tehtävänä on auttaa selvittämään, miten elävät olennot selviävät avaruuden olosuhteista ja rajusta kiihdytyksestä, joka tarvitaan valtavien etäisyyksien matkoilla.

Jos eliöt selviävät matkasta elossa, niiden kykyjä voidaan ehkä soveltaa myös ihmiseen. Esimerkiksi Deinococcus radiodurans -bakteerit näyttävät sietävän hyvin suuria säteilyaltistuksia. Jos kyky voitaisiin kopioida, seuraava retkikunta voisi koostua ihmisistä.

Lasersäde puskee avaruusluotainta

Kun määränpäänä ovat vierasta tähteä kiertävät planeetat, kemiallisista raketeista ei ole iloa.

Voyager 1 -luotain, joka lähetettiin matkaan vuonna 1977 ja joka on nyt Aurinkokunnan ulkopuolella, etenee 55 000 kilometrin tuntinopeudella. Sitä vauhtia matka Auringon lähimmän naapuritähden Proxima Centaurin luo kestäisi 80 000 vuotta. Proxima Centauri sijaitsee 4,25 valovuoden eli 42 biljoonan kilometrin päässä Maasta.

Proxima Centauri

Starlight-hankkeessa aiotaan lähettää sitkeähenkisiä eliöitä 4,25 valovuoden pituiselle matkalle kohti Auringon naapuritähteä Proxima Centauria.

© L. Calçada/ESO

Starlight-hankkeessa tutkitaankin aivan toisenlaista tapaa antaa avaruusaluksille vauhtia. DEEP-IN-lasertekniikka voi lyhentää kosmisia matka-aikoja huomattavasti.

DEEP-INin idea on se, että Maasta lähetetään suurienergiainen lasersäde, joka osuu luotaimeen. Kun säteen fotonit eli valohiukkaset osuvat luotaimen purjeeseen, ne työntävät luotainta kuin tuuli purjevenettä.

Tutkijat uskovat, että DEEP-IN voi antaa luotaimelle tai muulle alukselle neljäsosan valonnopeudesta eli lähes 270 000 000 kilometrin tuntinopeuden. Sillä vauhdilla matka Maasta Proxima Centauriin kestäisi vain 25 vuotta.

Horros

Elintoiminnot säästöliekille

Tosin ainakin aluksi neljäsosa valonnopeudesta on mahdollista vain, jos aluksen koko on hyvin pieni. Siksi Starlight-hankkeessa matkaan lähetetään StarChips-mikroluotaimia.

StarChips-luotaimet ovat ohuempia kuin pankkikortti, ja ne painavat enintään yhden gramman. Se luonnollisesti kaventaa mahdollisten matkustajien valikoimaa.

Starlight-laser

Starlight-hankkeen luotainta työntää eteenpäin Maasta lähetettävä lasersäde. Sen fotonit antavat gramman painoiselle luotaimelle neljäsosan valonnopeudesta.

© Q. Zhang

Ne eliöt, jotka mahtuvat mikroluotaimen kyytiin, ovat ihanteellisia avaruusmatkaajia muustakin syystä. Ne tarvitsevat vain hyvin vähän ravintoa ja vettä. Pieneliöiden joukossa on myös lajeja, jotka voivat väliaikaisesti sulkea elintoimintonsa lähes kokonaan.

Kun tällaiset eliöt altistuvat äärimmäisille olosuhteille, kuten kovalle kylmyydelle, kuivuudelle tai ravinnonpuutteelle, ne siirtyvät kryptobioosiksi kutsuttuun tilaan. Se on horrosmainen olotila, jossa aineenvaihdunta lakkaa siksi aikaa, kunnes olosuhteet ovat taas suotuisat.

Karhukainen selviää 273 asteen pakkasesta

Kryptobioosissa kaikki elintoiminnot lakkaavat ja aineenvaihdunta toimii säästöliekillä. Energiankulutus lähestyy nollaa. Samalla eliöiden sietokyky kasvaa niin, että ne voivat hyvinkin selviytyä tähtienvälisen matkan rasituksista.

0,5 millimetrin pituinen karhukainen on kryptobioosin mestari. Sen lisäksi, että se selviää pitkiä aikoja syömättä ja juomatta, se sietää 150 asteen kuumuuden ja –273 asteen kylmyyden.

Karhukainen
© Sebastian Kaulitzki/SPL

Karhukainen on mestarihorrostaja

Karhukainen voi olla kryptobioosissa sata vuotta. Silloin elintoiminnot ovat pysähdyksissä ja aineenvaihdunnan taso on 0,01 prosenttia normaalista. Karhukainen myös erittää erityistä proteiinia, joka suojaa dna:ta säteilyvaurioilta.

  • Säteilynkesto: 4 tähteä
  • Horrostuskyky: 5 tähteä
  • Kiihtyvyydenkesto: 3 tähteä

Karhukainen on jo osoittanut kykynsä monilla matkoilla muun muassa Kansainväliselle avaruusasemalle ISS:lle. Kryptobioosikyky on myös Caenorhabditis-sukkulamadolla ja suolalehtijalkaiseksi kutsutulla äyriäisellä.

Kiihdytys

Mato kestää 400 000 g:n kiihdytyksen

Starlight-hankkeen matkalaisilta vaaditaan muutakin kuin kovaa paastokestävyyttä. Niiden pitää sietää myös rajuja kiihdytyksiä.

Vauhti, jota luotaimille kaavaillaan, tarkoittaa niin kovaa kiihdytystä, että matkustajiin kohdistuu 100 000–10 000 000 g:n kiihtyvyys.

Ihminen ei kestä yli 9 g:n kiihtyvyyttä muutamaa sekuntia kauempaa. 9 g:tä tarkoittaa sitä, että keho tuntuu yhdeksän kertaa niin raskaalta kuin normaalisti ja veri virtaa kohti jalkoja niin, että sydän ei pysty pumppaamaan verta aivoihin.

Kun aivot eivät saa happea, ihminen menettää tajuntansa ja voi kuolla.

Tutkijat testaavat eliöiden kiihtyvyydenkestoa kieputtamalla niitä lingossa. Linkotestien perusteella yksi lupaavimmista ehdokkaista on millimetrin kokoinen sukkulamato Caenorhabditis elegans eli eleganssimato.

Caenorhabditis elegans -sukkulamato
© Steve Gschmeissner/SPL

Mato ei ole kiihdytyksestä moksiskaan

Eleganssimato eli Caenorhabditis elegans selviää jopa 400 000 g:n kiihtyvyydestä. Sitä ei haittaa myöskään kylmyys. Sen lisääntymiskyky on tallessa vuosikymmenien pakastamisen jälkeenkin. Sen normaali elinikä on vain 14 päivää, joten se on kätevä koe-eläin.

  • Säteilynkesto: 1–3 tähteä
  • Horrostuskyky: 5 tähteä
  • Kiihtyvyydenkesto: 5 tähteä

São Paulon yliopiston kokeessa Brasiliassa eleganssimatoja altistettiin jopa 400 000 g:n kiihtyvyydelle. Ne eivät olleet siitä moksiskaan. Äärimmäinen kiihtyvyys ei heikentänyt niiden elintoimintoja eikä vaikuttanut niiden käyttäytymiseen, kehitykseen tai aineenvaihduntaan.

Kiihtyvyydenkestossa sukkulamato peittoaa karhukaisen, joka sietää ”vain” 16 000 g:tä.

Säteily

Bakteeri sietää eniten säteilyä

Maan ilmakehän ja magneettikentän ulkopuolella matkaajan riesana on voimakas kosminen säteily.

Ihmisastronautit altistuvat avaruuslennoilla 50–2 000 millisievertin säteilylle. Yli 100 millisievertin säteilyaltistus on terveydelle haitallinen. Yksi millisievertin altistus vastaa kolmea ylävartalon röntgenkuvausta.

100 grayn säteilyannos tappaa useimmat eliöt. Deinococcus radiodurans -bakteeri sietää 10 000 grayn annoksen.

Karhukainen sietää kaikenlaista ionisoivaa säteilyä. Ionisoiva säteily irrottaa atomeista elektroneja ja vahingoittaa solun dna:ta. Kun karhukaiset altistettiin 18 tunnin ajan 4 700 grayn gammasäteilylle, yli puolet niistä selvisi elossa.

Useimmat eliöt kuolevat yli 100 grayn säteilyssä. Karhukaisen lisäksi kova säteilynsietokyky on Deinococcus radiodurans -bakteerilla, joka selviytyy 10 000 grayn gammasäteilystä.

Deinococcus radiodurans -bakteeri
© Michael J Daly/SPL

Bakteeri sietää kovaa säteilyä

Deinococcus radiodurans -bakteeri tuottaa genomistaan monta kopiota ja erittää entsyymejä, jotka korjaavat dna:n säteilyvaurioita. Näillä avuilla se selviää 10 000 grayn gammasäteilystä. Se sietää myös hyvin kovaa kiihtyvyyttä.

  • Säteilynkesto: 5 tähteä
  • Horrostuskyky: 4 tähteä
  • Kiihtyvyydenkesto: 5 tähteä

Ihmisjoukosta keskimäärin puolet kuolisi 4 grayn säteilyyn. Yli 20 grayn säteily tappaisi jokaisen.

Matkustajat sulatetaan perillä

Starlight-hanke on saanut tukea Nasalta, mutta sen toteutuminen on vielä epävarmaa. Hankkeen taustalla olevilla tutkijoilla on kuitenkin selvä kuva siitä, miten matka tähtiin sujuisi sitten, kun sopivat matkustajat on valittu.

Mukaan otettavat sadat matkustajat pakastetaan niin, että ne voivat taittaa matkan Proxima Centaurin tai muun naapuritähden luo kryptobioosissa.

Kun luotain lähestyy määränpäätään, matkustajat herätetään horroksesta sulattamalla ne. Tarvittava lämpö saadaan pienestä plutoniumreaktorista. Samalla käynnistyy joukko kokeita, joilla selvitetään muun muassa, miten kiihtyvyys ja avaruusmatka ovat vaikuttaneet eliöiden lisääntymiskykyyn, aineenvaihduntaan ja solujen ikääntymiseen.

25 vuotta. Niin kauan kestäisi lasersäteellä lentävien luotainten 42 biljoonan kilometrin matka Proxima Centaurin luo.

Vaikka sukkulamadot ovat paljon alkeellisempia eliöitä kuin ihminen, myös yhtäläisyyksiä on paljon. Esimerkiksi eleganssimadon proteiineista yli 80 prosenttia on samoja kuin ihmisessä.

Eleganssimato voidaan myös opettaa yhdistämään tietyt tuoksut ravintoon. Testeissä se on muistanut oppimansa jopa 40 tuntia. Tutkijat aikovatkin selvittää, miten muisti kestää avaruusmatkan. Tulos voi antaa osviittaa myös avaruusmatkan vaikutuksista ihmiseen.

Seuraavaksi matkaan lähtee ihminen

Tutkijoiden toive on, että Starlight-hankkeen lasertekniikka voi joskus liikuttaa myös oikeita avaruusaluksia, joissa on matkustajina ihmisiä.

Sitä varten hankkeessa tutkitaan, voitaisiinko karhukaisen, sukkulamatojen ja bakteerien hyviä ominaisuuksia siirtää ihmiseen.

Ihminen tosin ei voi mennä kryptobioosiin, mutta on mahdollista, että ihminen voisi mennä kuukausia kestävään horrokseen, jonka aikana hänen aineenvaihduntansa olisi hidastunut.

Matkalla vieraan tähden luo ihmistä kohtaisi monta vaaraa: säteily, musertava kiihtyvyys ja vuosikausia kestävän matkan rasitukset elimistölle. Osa ongelmista voidaan ratkaista ottamalla oppia eläimiltä.

DNA-juoste
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Geenihoito suoja säteilyltä

Karhukainen tuottaa Dsup-proteiinia, jolla se suojaa solujaan säteilyvaurioilta. Kun proteiinia tuottava karhukaisen geeni siirrettiin ihmisen soluihin, säteilykokeissa soluissa syntyi 40 prosenttia vähemmän vaurioita kuin normaalisti.

G-voima
© Hulton Archive/Getty Image

Ihmisellä on surkea kiihtyvyyskestävyys

Jotta matka vieraalle tähdelle onnistuisi ihmisen elinaikana, nopeuden on oltava huima. Starlight-hankkeen luotaimet saavuttavat yli 100 000 g:n kiihdytyksen. Jo 9 g:tä vie ihmiseltä tajun ja hengen muutamassa minuutissa. Tätä ongelmaa ei vielä ole ratkaistu.

Nukkuva astronautti
© Henning Dalhoff/SPL

Matka taittuu horroksessa

Syömisen ja juomisen säästämiseksi pitkä avaruusmatka voitaisiin tehdä horroksen kaltaisessa tilassa. Tutkijat ovat onnistuneet vaivuttamaan rottia horrokseen aineilla, jotka vaimentavat aineenvaihduntaa säätelevän aivojen alueen toiminnan.

Matkoihin naapuritähdille liittyy silti haasteita, joihin ei ole näköpiirissä ratkaisua. Yksi sellainen on suuren nopeuden aiheuttama kiihtyvyys ja sen rasitus ihmiselle. Mutta jos ratkaisu jonakin päivänä keksitään, ihminen voi seurata karhukaisia ja sukkulamatoja tähtiin.