Op een oneindige achtergrond van donkere, levenloze ruimte, monteerde een robotarm op het internationale ruimtestation in 2015 een doos met blootgestelde microben op een leuning 250 mijl boven de aarde. De stevige bacteriën hadden geen bescherming tegen een aanval van kosmische ultraviolet-, gamma- en röntgenstralen. Terug op aarde vroegen wetenschappers zich af of de bacillen deze omstandigheden tot drie jaar zouden kunnen overleven, de duur van het experiment, en zo ja, wat de resultaten de onderzoekers zouden kunnen vertellen over het vermogen van leven om tussen planeten te reizen.
Microbiologen hebben tientallen jaren besteed aan het bestuderen van extremofielen, organismen die extreme omstandigheden verdragen, om de mysterieuze draden te ontrafelen van hoe het leven op aarde tot bloei kwam. Sommige extremofielen kunnen enkele dagen onbeschermd in de ruimte leven; andere kunnen het jaren uithouden, maar alleen door een onderkomen in rotsen te vinden. Deze bevindingen onderbouwen de theorie dat het leven zoals wij dat kennen tussen planeten kan worden overgebracht via meteorieten of kometen. Nu blijkt uit nieuwe bevindingen, die vandaag zijn gepubliceerd in Frontiers in Microbiology en die gebaseerd zijn op dat experiment in het internationale ruimtestation, dat de bacterie Deinococcus radiodurans ten minste drie jaar in de ruimte kan overleven. Akihiko Yamagishi, een microbioloog aan de Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences die de studie leidde, zegt dat de resultaten ook suggereren dat microbieel leven onbeschermd door gesteente tussen planeten zou kunnen reizen.
De studie vond plaats buiten Japan’s Kibo lab op het International Space Station. Maar lang voordat Yamagishi’s experiment in een baan om de aarde terechtkwam, wilde het Japanse Space Exploration Agency, JAXA, zijn team er van tevoren van overtuigen dat het zou slagen. “We wilden zeggen: ‘We weten het niet, we moeten het gewoon proberen.’ Maar dat is niet toegestaan voor ruimte-experimenten”, zegt Yamagishi. “Dus moesten we bedenken hoe we hen konden overtuigen.”
Yamagishi en zijn team hadden verschillende soorten bacteriën overwogen, en Deinococcus radiodurans sprong eruit als uitzonderlijk. Tussen 2010 en 2015 voerde zijn team experimenten uit om D. radiodurans te testen in gesimuleerde omstandigheden in het internationale ruimtestation. Ze bestraalden de insecten met hoge stralingsniveaus, lieten de druk dalen tot een ruimte-achtig vacuüm en lieten de temperatuur in slechts 90 minuten schommelen tot 140 graden Fahrenheit. Ze ontdekten dat de cellen opmerkelijk bestand waren tegen het spervuur van stress. “We hebben laten zien dat we kunnen overleven door deze experimenten op de grond uit te voeren, en ze accepteerden ons en geloofden ons,” zegt hij. Het team verdiende JAXA’s goedkeuring, en hun astrobiologische experiment was ingesteld om te lanceren met een SpaceX-raket in april 2015.
Een hik kwam aan het geplande experiment vóór de lancering. Oorspronkelijk waren Yamagishi en het team van plan om astronauten de experimenten te laten uitvoeren, maar ze ontdekten dat ze niet langer de optie hadden voor “vastgebonden” wetenschappelijke experimenten buiten het internationale ruimtestation. Gelukkig kon het team een experiment ontwerpen waarbij gebruik werd gemaakt van die robotarm.
Drie panelen met bacteriën gingen met de SpaceX-raket mee omhoog: een voor een jaar blootstelling, een voor twee jaar en een voor drie jaar. Nadat de astronauten de panelen hadden klaargezet, pakte een robotarm, bestuurd vanaf de aarde, de panelen en zette ze op hun plaats. Elk paneel bevatte twee kleine aluminium platen bezaaid met 20 ondiepe putjes voor bacteriën van verschillende grootte. Een plaat wees naar beneden in de richting van het internationale ruimtestation; de andere wees naar buiten in de richting van de kosmos.
Elk jaar haalde de robotarm van Kibo het platform met de panelen van zijn plaats en bracht het terug naar het ISS, zodat de astronauten monsters naar de aarde konden sturen voor analyse. Uit de resultaten blijkt dat de Deinococcus-bacterie het drie jaar durende experiment heeft overleefd. De cellen van de Deinococcus-bacterie in de buitenste lagen van de massa’s stierven, maar die dode buitenste cellen beschermden de cellen binnenin tegen onherstelbare DNA-schade. En wanneer de massa’s groot genoeg waren – nog steeds dunner dan een millimeter – overleefden de cellen binnenin meerdere jaren.
“Het deed me precies denken aan de strategie die cyanobacteriën gebruiken in de Andes,” zegt Nathalie Cabrol, een astrobiologe die niets te maken heeft met de studie en die leiding geeft aan het Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) Institute’s Carl Sagan Center for Research. Cabrol heeft bestudeerd hoe cyanobacteriën, een van de oudste levensvormen op aarde, de intense zonnestraling verdragen door zich te organiseren in lagen waarbij cellen aan de buitenkant afsterven en binnenin overleven. Ze was verheugd over wat deze resultaten ons kunnen vertellen over extremofielen op aarde.
Nog meer dan de beschermende cellagen in de massa, D. radiodurans, zijn opmerkelijk resistent tegen schade door straling. Hun genen coderen voor unieke eiwitten die DNA repareren. Terwijl menselijke cellen ongeveer twee kopieën van DNA hebben, en de meeste bacteriële cellen er één hebben, bevat D. radiodurans tot wel 10 redundante kopieën. Meer kopieën van belangrijke genen betekent dat de cellen meer kopieën kunnen maken van de eiwitten die door straling beschadigd DNA herstellen. Dit inherente verdedigingsmechanisme, gecombineerd met beschermende buitenlagen van cellen, hield de microben in leven ondanks stralingsniveaus die meer dan 200 keer hoger waren dan die op aarde.
Gebruik makend van hun gegevens over hoe elk extra jaar de cellen beïnvloedde, voorspelt het team dat reizende D. radiodurans-massa’s twee tot acht jaar zouden kunnen overleven tussen de aarde en Mars-en vice versa. “Het is dus mogelijk om tijdens het transport te overleven,” zegt hij. “Dat vertelt ons dat we de oorsprong van het leven niet alleen op Aarde, maar ook op Mars moeten overwegen.”
D. radiodurans is niet het enige organisme waarvan bekend is dat het in de ruimte kan overleven. Eerdere studies toonden aan dat tardigrades het slechts 10 dagen uithouden bij directe blootstelling. Wetenschappers hebben ook Bacillus- en Deinococcus-bacteriën getest voor lange perioden in een baan om de aarde, maar alleen met bescherming tegen giftige straling.
“voorstellen dat sporen van microben kunnen overleven in gesteente – dat is lithopanspermie,” zegt Yamagishi. Lithopanspermie is een variant van de panspermietheorie, die ervan uitgaat dat het leven op aarde zou kunnen zijn ontstaan uit microben van een andere planeet. Maar Yamagishi zegt dat zijn resultaten van extremofielen die jarenlang directe blootstelling zonder stenen hebben doorstaan, aanleiding zijn voor een nieuwe term: massapanspermie. Deze theorie suggereert dat microben op Aarde kunnen zijn geland in klonters, in plaats van in rotsen.
Andere deskundigen aarzelen echter om massapanspermie te omarmen.
“Ik was al zo’n beetje verkocht aan het idee dat leven tussen de Aarde en Mars kan zijn overgebracht,” zegt Natalie Grefenstette, een theoretisch astrobioloog aan het Santa Fe Institute die niet bij het werk is aangesloten. Het bewijs voor lithopanspermie overtuigde haar ervan dat het overbrengen van leven mogelijk is, maar zij ziet één grote beperking voor massapanspermie: vrij zwevende celmassa’s zouden het wegschieten van de ene planeet en de terugkeer op een andere planeet moeten overleven. “Dat zijn enorme vereisten,” zegt ze. Ze vermoedt dat een reizende klomp blootgestelde cellen zou opbranden als meteoren voor de landing.
Cabrol trekt ook de mogelijkheid van massapanspermie in twijfel. “Aantonen dat radiodurans drie jaar kan overleven als het gelaagd is, is heel ver weg van de aantallen die we nodig hebben om radiodurans in staat te stellen de sprong naar Mars te maken.” Hoewel reizen van jaren theoretisch mogelijk zijn, schatten wetenschappers dat het tot enkele miljoenen jaren kan duren voordat materie een planeet verlaat en op een andere binnen het zonnestelsel landt.
“De relevantie van deze studie ligt minder in het bewijzen dat massapanspermie of panspermie mogelijk zijn,” zegt Cabrol. “Maar voor mij toont het aan dat we uiterst voorzichtig moeten zijn met onze besmetting als we naar Mars gaan.”
Veel landen hebben het Outer Space Treaty ondertekend, dat hen verbiedt microben op andere planeten te brengen (en te morsen). Als een ruimteschip bijvoorbeeld per ongeluk microben op Mars morst, zou dat toekomstige missies om leven op de planeet te vinden in gevaar brengen. Wetenschappers zouden niet met absolute zekerheid weten of ze microben van Mars hebben ontdekt. NASA heeft veel moeite gedaan om de Mars 2020 rover te steriliseren, door hem te bakken bij steriele temperaturen en elk onderdeel af te vegen met steriele kleding. Deze studie onderstreept hoe verrassend belangrijk het is om elk ruimtevaartuig volledig vrij van microben te houden.
Yamagishi hoopt meer blootstellingsexperimenten uit te voeren, zelfs verder van de aarde, inclusief op NASA’s voorgestelde Lunar Gateway in de buurt van de maan. En om vragen over de oorsprong van het leven vooruit te helpen, ontwikkelt zijn team een microscoop om te zoeken naar leven onder het oppervlak van Mars.
“In omgevingen waar we dachten dat leven niet kon overleven, weten we nu dat het kan,” zegt Grefenstette. “Deze studie laat dat ook zien, dus we verleggen voortdurend die barrière van wat leven op aarde kan bereiken.”