Die McMurdo Dry Valleys der Antarktis enthalten einige der kältesten und trockensten Wüsten der Erde. Die Umgebung dort ist so extrem, dass die Dry Valleys als Marsanaloga verwendet wurden, um Prototypen für die zukünftige Marserkundung zu testen.
Um diese harten Bedingungen zu überleben, überwintern Algen- und Bakterienschichten in den Dry Valleys in einem gefriergetrockneten Zustand und werden im Sommer wieder zum Leben erweckt, wenn benachbarte Gletscher schmelzen und Wasser wieder die Bachkanäle hinunterfließt. Die Algen sind so widerstandsfähig, dass einige Wissenschaftler glauben, dass sie für die rauen Bedingungen der Raumfahrt gut geeignet sein könnten, wo sie Kohlendioxid aus der Luft entfernen, Sauerstoff produzieren und Astronauten mit Nahrung versorgen könnten.
Der Kreislauf der Algen aus Stasis und erneutem Wachstum erregte die Aufmerksamkeit von Emily Matula, die zum Zeitpunkt der Durchführung der Forschung eine Doktorandin für Bioastronautik an der University of Colorado Boulder war.
„Ich war daran interessiert zu untersuchen, wie wir diese verschiedenen Algenarten, die sich an diese extremen Umgebungen angepasst haben, möglicherweise in Raumfahrtsystemen verwenden könnten“, sagte Matula.
Dies löste eine Zusammenarbeit mit der Antarktisforscherin Diane McKnight aus. Die Forscher verwendeten DNA-Sequenzierung, um die Arten von Grünalgen zu charakterisieren, die als Matten in den Schmelzwasserströmen der McMurdo Dry Valleys wachsen. Matula und McKnight werden am Montag, den 12. Dezember 2022, Ergebnisse zu den Algen- und Bakterienarten präsentieren, aus denen diese Matten bestehen AGUs Herbsttreffen in Chicago und überall online.
Weltraumfahrende Algen
Raumfahrzeugingenieure sind daran interessiert, Algen zu verwenden, um den Kohlenstoffkreislauf eines Raumfahrzeugs zu schließen: Algen könnten Sauerstoff produzieren und Kohlendioxid, das von Astronauten eingeatmet wird, in Biomasse umwandeln, die die Astronauten dann essen und wieder zu Kohlendioxid veratmen. Ein Raumfahrzeug mit geschlossenem Regelkreis müsste nicht von der Erde aus versorgt werden, was die Entfernung und Dauer der Reise durch den Weltraum erhöhen würde. Laut Matula könnten die gleichen Wasserleitungen, die derzeit verwendet werden, um die Kabinentemperaturen für die Besatzung eines Raumfahrzeugs überlebensfähig zu machen, eine doppelte Aufgabe erfüllen, indem sie sowohl Algen züchten als auch die Temperatur regulieren.
Große, tägliche Temperaturschwankungen in den Rohrleitungen schaffen harte Bedingungen für die meisten Algen und sind die größte Herausforderung, die es zu bewältigen gilt, wenn die Rohrleitungen zur Algenzucht an Bord von Raumfahrzeugen verwendet werden.
„Sicher, wir haben eine leicht verfügbare ‚Laborratten‘-Alge, aber wenn Sie sie extremeren Umgebungen aussetzen, sind die meisten von ihnen gestresst oder sterben ab“, sagte Matula. „Wenn die Algen also den extremen Umgebungen der Raumfahrt ausgesetzt sind, möchten Sie wahrscheinlich eine Art, die besser zum Überleben gerüstet ist.“
Matula und McKnight glauben, dass die Grünalgen, die in den Matten von McMurdo Dry Valley wachsen, die Algen sein könnten, nach denen Weltraumforscher suchen. Diese Grünalgen sind gut an große Temperaturschwankungen angepasst, die denen in Raumfahrzeuginstallationen ähneln und an einem einzigen Sommertag von 4 Grad Celsius (39,2 Grad Fahrenheit) auf 15 Grad Celsius (59 Grad Fahrenheit) schwanken, sagte McKnight.
Aber nicht alle Algen sind gleich flexibel, also mussten Matula und McKnight wissen, was in diesen robusten grünen Matten lebte, um die Algen zu finden, die am besten für Raumfahrtbedingungen geeignet sind.
„Wir wussten nicht, welcher der beste Bach wäre, um die Grünalgen zu finden, die am besten an Temperaturschwankungen angepasst sind, und wie sich die Matten von einem Bach zum anderen unterscheiden“, sagte McKnight.
Um die Algenarten in den grünen Matten zu charakterisieren, sequenzierten Matula und McKnight die DNA von aktiven Grünalgen, die ursprünglich aus acht Schmelzwasserbächen in den Dry Valleys gesammelt wurden. Sie versuchten auch, eine antarktische Algenkultur unter den gleichen Laborbedingungen wie ihre „Laborratten“-Algen zu züchten, damit sie die Fähigkeit der verschiedenen Arten vergleichen konnten, den schwankenden Temperaturen zu widerstehen, die für die Temperaturregelungsrohre in Raumfahrzeugen typisch sind.
Laut McKnight arbeitet ihr Team immer noch daran, festzustellen, wie sich die Algengemeinschaften zwischen den verschiedenen Strömen unterscheiden und wie sie im Vergleich zu den Algengemeinschaften abschneiden, die sich in ihren Laborkulturen entwickelt haben. McKnight teilte ein klares, vorläufiges Ergebnis: Ihre Kulturen wurden von einer engen Gruppe von Algen dominiert, die zuvor in anderen antarktischen Umgebungen beobachtet wurden. Die Züchtung antarktischer Algenarten im Labor ist ein Ausgangspunkt für das Forschungsteam, um besser zu verstehen, wie antarktische Algen schwankende Temperaturen in täglichen und saisonalen Zyklen tolerieren.
Das Team plant weitere Experimente, um festzustellen, wie sich die Algengemeinschaften zwischen den untersuchten Strömen unterscheiden, wie schnell sich ihre Algen aus der Kryostase wieder erholen und wie das Algenwachstum in der Umgebung eines Raumfahrzeugs optimiert werden kann.
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Zusammenfassung der Präsentation: Mikrobielle Zusammensetzung von Chlorophyten-dominierten Matten in glazialen Schmelzwasserströmen in den McMurdo Dry Valleys, Antarktis (2022).