Quelle: ESA/Enabling&Support/PreparingForTheFuture/DiscoveryAndPreparation, 11. Februar 2026

Bioregenerative Lebenserhaltungssysteme (BLSS) sind auf lebende Organismen angewiesen, um menschliche Besatzungen während längerer Missionen zu versorgen. Höhere Pflanzen und Mikroalgen wurden bereits umfassend untersucht, weisen jedoch jeweils Einschränkungen auf. Höhere Pflanzen erfordern große und komplexe Kultivierungssysteme, während Mikroalgen mit Herausforderungen wie Biofilmbildung, Kontamination und ungleichmäßiger Lichtverteilung in Photobioreaktoren konfrontiert sind.

Wassermoose stellen eine interessante Alternative dar. Diese nicht-vaskulären Pflanzen haben einfache Strukturen, erfordern nur minimale Pflege und sind bereits als wirksame Biofilter bekannt. Ihr Potenzial für Weltraumanwendungen wurde jedoch noch nie systematisch untersucht.

Ein neuer Ansatz
Im Rahmen des Projekts „Moose an Mars“ wurden drei aquatische Moosarten, Taxiphyllum barbieri, Leptodictyum riparium und Vesicularia montagnei, unter kontrollierten Umweltbedingungen untersucht, die denen in Weltraumhabitaten nachempfunden sind.

„Dieses Projekt umfasste zwei wichtige neue Elemente“, erklärt die leitende Forscherin Dr. Chiara Amitrano, Wissenschaftlerin an der Universität Neapel Federico II. „Das erste ist die Untersuchung der Möglichkeit, Wassermoose als Biofilter und Bioregeneratoren in die Weltraumforschung zu integrieren. Und das zweite ist die Untersuchung des physiologischen Apparats, des Photosystems II dieser Moose. Alle veröffentlichten Arbeiten über Wassermoose befassen sich mit Biofiltration und Phytosanierung.“

Das Team verglich alle drei Arten unter zwei Umweltbedingungen und bewertete dabei die Photosyntheseleistung, die Pigmentkonzentrationen, die antioxidative Aktivität und die Biofiltrationseffizienz sowohl für Schwermetalle als auch für Stickstoffverbindungen.

Sowohl T. barbieri als auch L. riparium zeigten eine effektive Biofiltration und entfernten erfolgreich Kupfer, Blei und Zink aus kontaminiertem Wasser. T. barbieri erwies sich jedoch als klarer Spitzenreiter und wies die höchsten Raten an Nettophotosynthese und Pigmentakkumulation auf.

Strahlungsresistenz
Auf Grundlage dieser Ergebnisse wählte das Team T. barbieri für weitere Tests aus, um dessen Reaktionen auf ionisierende Strahlung zu untersuchen, eine zentrale Herausforderung für alle im Weltraum lebenden Organismen.

„Die Untersuchung der Auswirkungen ionisierender Strahlung auf Wassermoose war für uns und auch in der Literatur eine Premiere“, bemerkt Amitrano. Die Forscher setzten Moosproben drei verschiedenen Röntgendosen aus – 1, 10 und 30 Gray (Gy) – und beobachteten dann 63 Tage lang ihre Erholung mit Hilfe einer speziellen Anlage mit kontinuierlichen Kohlendioxid- und Sauerstoffsensoren.

Die Ergebnisse waren überraschend. Anstatt Schäden zu zeigen, übertrafen Moose, die einer Strahlung von 1 Gy ausgesetzt waren, die nicht bestrahlten Kontrollgruppen und wiesen eine höhere Nettophotosynthese, größere Elektronentransportraten und erhöhte Chlorophyllkonzentrationen auf. Dieses als Strahlenhormese bekannte Phänomen deutet darauf hin, dass niedrig dosierte Strahlung positive physiologische Reaktionen stimulieren kann.

Selbst bei höheren Dosen zeigten die Moose Widerstandsfähigkeit. Die Strahlung veränderte die Morphologie der Moose, wodurch dichtere Verzweigungen entstanden und gleichzeitig die Zweiglänge reduziert wurde – Veränderungen, die möglicherweise die Oberfläche für den Gasaustausch und die Filtration vergrößern könnten.

Zukünftige Anwendungen
„Wir sind fest davon überzeugt, dass wir diese Wassermoose in die Weltraumumgebung integrieren können“, sagt Amitrano. „Sie sind strahlungsresistente Biofilter. Sie können das Recycling von Ressourcen unterstützen und benötigen nur wenig Aufwand, um zu wachsen. Außerdem verfügen sie über einen guten Photosyntheseapparat, produzieren Sauerstoff und entfernen Kohlendioxid.“

„Die Universität Neapel hat im Rahmen ihrer Discovery Aktivitäten gezeigt, dass Moose dazu beitragen könnten, Astronauten auf dem Mars am Leben zu erhalten, indem sie ihr Wasser filtern, ihre Luft auffrischen und dabei Strahlung abwehren“, sagt Moritz Fontaine, Discovery & Preparation Officer und ESA-Projektleiter. „Diese Erkenntnisse sind ein wichtiges Puzzleteil für die zukünftige bemannte Raumfahrt.“

Die Unterstützung der ESA durch das Discovery-Programm erwies sich als unverzichtbar. „Die Finanzierung war für uns von grundlegender Bedeutung, um das Experiment durchzuführen, zunächst mit den drei Arten und dann mit der ionisierenden Strahlung dieser Moose“, erklärt Amitrano.

Die Idee entstand im Rahmen der Open Space Innovation Platform (OSIP) der ESA, die vielversprechende neue Konzepte für die Weltraumforschung sucht, und wurde durch das Discovery Element der ESA finanziert.

Das Projekt hat bereits eine begutachtete Veröffentlichung in Frontiers in Plant Science hervorgebracht, ein zweiter Artikel über die Strahlungsexperimente ist in Vorbereitung. Für die Zukunft sieht das Team Anwendungsmöglichkeiten, die von Biofiltern in Wasserrecyclingsystemen bis hin zu Biomaterialien und potenziellen Strahlenschutzvorrichtungen reichen.

Obwohl noch viel Arbeit vor uns liegt, zeigt dieses Projekt das Potenzial von Wassermoosen als vielseitige, pflegeleichte Organismen, die in ressourcenarmen Umgebungen – sowohl im Weltraum als auch bei der Wasseraufbereitung auf der Erde – mehrere ökologische Funktionen erfüllen können.

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• Lebenserhaltungssysteme

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Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 14. November 2022.

14. November 2022 – Ihre Ergebnisse haben die Forschungspartner aus Deutschland, Japan, Italien, UK und USA vor Kurzem in „Scientific Reports“, einer Zeitschrift der Nature Publishing Group, veröffentlicht.

Torpor nennen Forschende den Zustand, wie ihn auch Winterschlaf haltende Tiere eingehen. In diesem Zustand werden lebenserhaltende Funktionen eines Organismus zurückgefahren: Die Körpertemperatur wird abgesenkt, der Stoffwechsel reduziert und Körperfunktionen wie Atem- und Herzfrequenz oder Sauerstoffaufnahme werden deutlich verlangsamt. Auch auf molekularer Ebene werden die Genaktivität und die Proteinbiosynthese auf ein langsameres Tempo reduziert. In der nun veröffentlichten Studie zum Thema synthetischer Torpor, also eine Art künstlich erzeugter Winterschlaf, und Schutz vor ionisierender Strahlung haben die Wissenschaftler*innen biologische Effekte nachgewiesen, die darauf hindeuten, dass synthetischer Torpor die Resistenz gegenüber Strahlung erhöht. Ein Nachweis, der langfristig für Astronauten sehr nützlich sein könnte.

Denn kosmische Strahlung gilt als eines der größten Gesundheitsrisiken für die Erforschung des Weltraums durch den Menschen. Vor allem bei zukünftigen Langzeitmissionen stellen schädliche Auswirkungen der Weltraumstrahlung eine große Herausforderung dar. Der größte Teil der Strahlungsdosis, die dabei von den Besatzungen aufgenommen wird, wird durch galaktische kosmische Strahlung (GCR) erzeugt, das heißt durch hochenergetische geladene Teilchen, einschließlich dicht ionisierender schwerer Ionen, die in fernen Galaxien entstehen. Die Energie dieser Teilchen ist so hoch, dass die Abschirmung des Raumfahrzeugs sie nicht aufhalten kann und zu einer Strahlenbelastung führt, die über einen sehr langen Zeitraum mehr als 200 Mal höher ist als die Hintergrundstrahlung auf der Erde. Deshalb wird für künftige Missionen nach geeigneten Strahlungsschutzmaßnahmen geforscht.

„Die Zusammenhänge zwischen Torpor und Strahlenresistenz stellen einen hoch innovativen Forschungsansatz dar. Unsere aktuellen Ergebnisse lassen darauf schließen, dass synthetische Torpor ein vielversprechendes Instrument zur Verbesserung des Strahlenschutzes im lebenden Organismus während einer langfristigen Weltraummission ist. Er könnte somit eine effektive Strategie zum Schutz des Menschen bei der Erforschung des Sonnensystems darstellen“, fasst der Leiter der GSI-Abteilung Biophysik, Professor Marco Durante, zusammen.

Zwar ist bereits bekannt, dass Tiere, die natürlichen Winterschlaf halten, in diesem Zustand eine Strahlenresistenz erwerben. Doch die aktuelle Studie ist deshalb so bedeutsam, weil nun zum ersten Mal bei nicht Winterschlaf haltenden Tieren (Ratten) ein biologischer Zustand, der dem Winterschlaf ähnlich ist, herbeigeführt wurde und eine Strahlenresistenz gegenüber hochenergetischen Schwerionen nachgewiesen werden konnte. In Experimenten am japanischen Gunma University Heavy-ion Medical Center wurden beschleunigte Kohlenstoff-Ionen zur Simulation der Strahlung im Weltraum verwendet. Die anderen In-Vitro-Zellexperimente wurden auf dem GSI/FAIR-Campus in Darmstadt durchgeführt und waren Teil der Experimentierzeit FAIR-Phase 0.

Die beiden Hauptergebnisse des Forschungsteams nach Bestrahlung und Induzierens eines synthetischen Torpors belegten die Annahmen: Synthetischer Winterschlaf kann eine schützende Wirkung vor einer eigentlich tödlichen Dosis an Kohlenstoff-Ionen haben. Synthetischer Winterschlaf reduziert außerdem die Gewebeschäden bei einer Ganzkörperbestrahlung.

Außerdem konnten die Wissenschaftler*innen von GSI bei ihren Untersuchungen an Gewebezellen von Ratten den zugrundeliegenden Mechanismus näher charakterisieren und zeigen, dass eine geringere Sauerstoffkonzentration in den Geweben (Hypoxie) und ein reduzierter Stoffwechsel bei niedriger Temperatur (Hypothermie) zwei wichtige Faktoren bei der Verhinderung von Zellschäden sein können. Die immunhistologischen Analysen deuteten darauf hin, dass der synthetische Torpor das Gewebe vor energetischer Ionenstrahlung schont. Zudem könnten sich Veränderungen im Stoffwechsel bei niedrigen Temperaturen auch auf die DNA-Reparatur auswirken.

Noch ist viel Forschung nötig, um die strahlenschützende Wirkung des synthetischen Torpors in Organen zu untersuchen und besser zu verstehen. Und noch ist es technisch nicht möglich, Menschen auf sichere und kontrollierte Weise in einen Winterschlaf zu versetzen. Doch die Forschung schreitet voran. Erst vor Kurzem waren die neuronalen Bahnen, die den Torpor steuern, enträtselt worden. Nun fügt die aktuelle Veröffentlichung einen weiteren wichtigen Baustein hinzu.

Der Wissenschaftliche Geschäftsführer von GSI und FAIR, Professor Paolo Giubellino, unterstreicht, dass das derzeit bei GSI entstehende internationale Beschleunigerzentrum FAIR einzigartige Möglichkeiten für Forschung im Bereich der kosmischen Strahlung bieten wird. „Bereits jetzt ist GSI in der Lage, Strahlen schwerer Kerne zu produzieren, wie sie in der kosmischen Strahlung vorkommen. An FAIR werden Experimente mit einem viel größeren Spektrum an Teilchenenergien und -intensitäten möglich sein. Dies wird es Forschenden ermöglichen, die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf den Menschen und auf die technischen Instrumente zu untersuchen, die für die Ermöglichung menschlicher Marsmissionen von grundlegender Bedeutung sind. Ich freue mich sehr, dass die Europäische Weltraumorganisation ESA seit vielen Jahren mit FAIR zusammenarbeitet, um diesen Forschungsbereich voranzutreiben.“

Originalpublikation:
https://www.nature.com/articles/s41598-022-20382-6

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• Kosmische Strahlung

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