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Extremphysiologie

Nanoraumanzug schützt Organismen im Vakuum

Die Folgen des Vakuums

Im Vakuum überleben nur die wenigsten Organismen: Der fehlende Druck lässt Zellen explosionsartig austrocken und platzen. Ein verblüffend simpler Trick kann das allerdings verhindern, beweisen nun Takahiko Hariyama von der Hamamadsu University in Japan. Es gelang ihnen dabei, die natürliche Außenhülle von Insektenlarven gezielt zu einem widerstandsfähigen, schützenden Polymergemisch zu vernetzen. Mit diesem künstlichen Raumanzug als Hülle überlebten die Organismen auch unter Bedingungen des Ultrahochvakuums einige Zeit.

Vakuumfolgen mit und ohne Nanoschutzfilm
Vakuumfolgen mit und ohne Nanoschutzfilm | Eine polymerisierte Hülle aus amphiphilen Molekülen schützt im Hochvakuum vor Austrocknung: oben die Oberfläche einer geschützen Insektenlarve, unten die Folgen eines ungeschützten Aufenthalts im Elektronenmikroskop.

Die Entdeckung machte das japanische Team zunächst eher zufällig unter dem Elektronenmikroskop, dessen Probenbehälter während des Betriebs stets unter Vakuum steht. Dennoch überleben und bewegen sich Larven der Taufliege dort rund eine Stunde lang, ohne Langfristschäden davonzutragen, wie die Forscher ermittelten. Zusätzlich muss aber in dieser Zeit auch das Mikroskop arbeiten, also die Larven mit Elektronen bombardieren, wie die Forscher erkannten: Ein Vakuum ohne Elektronenbestrahlung tötet die Tiere innerhalb kurzer Zeit und lässt sie sichtbar austrocknen.

Grundlage des per Bestrahlung geschaffenen Vakuumschutzes ist das extrazelluläre Molekülgemisch aus der Außenseite mancher, nicht aber aller Insekten, ermittelten die Forscher weiter. Dieses Molekülgemisch – es ist chemisch "amphiphil", setzt sich also aus unterschiedlichen Kohlenwasserstoffketten mit wasser- oder fettlöslichen Gruppen zusammen – polymerisiert unter dem Elektronenbombardement des Mikroskops zu einer wirksamen Schutzschicht gegen das Vakuum, die den ganzen Körper bedeckt: Sie bildet eine hochflexible, von Gasen und Flüssigkeit kaum passierbare Barriere.

© Yasuharu Takaku, Takahiko Hariyama
Lebende Zuckmückenlarven im Vakuum
Die Larve ein Zuckmücke Polypedilum vanderplank ist berüchtigt für ihre Nehmerqualitäten: Sie überlebt auch die trockensten Bedingungen. Im Vakuum dehydriert sie allerdings explosionsartig und stirbt, wenn man sie nicht, wie Forscher aus Japan, zuerst mit einer amphiphilen Tween-20-Emulsion einstreicht und mit Plasmaionen traktiert. Dadurch polymerisiert ein nanodünner Schutzfilm, der die Tiere auch im Hochvakuum einer Elektronenmikroskop-Probenkammer überleben lässt. Langfristige Folgen hat dieses Abenteuer für die Tiere nicht: Sie entwickeln sich anschließend wie üblich in gesunde erwachsene Zuckmücken.

Diese Schutzschicht kann auch auf andere Arten polymerisiert werden, etwa durch die Einwirkung von Plasmaionen, wie die Forscher weiter zeigten. Zudem kann der Grundstoff des Nano-Vakuumschutzes, das natürliche extrazelluläre Molekülgemisch, auch durch einen künstlichen Mix amphiphiler Substanzen ersetzt werden. Dieses Gemisch verpassten die Forscher wasserlebenden Insektenlarven, die natürlicherweise keine vernetzbaren Kohlenwasserstoffe auf ihrer Oberfläche besitzen. Nach dem Auftragen des Gemisches und anschließender Elektronenbestrahlung waren auch diese sonst höchst anfälligen Versuchstiere im Vakuum geschützt.

Hariyama und seine Kollegen spekulieren zudem, ob der im künstlichen Hochvakuum des Elektronenmikroskops bewährte Mechanismus auch unter den natürlichen Bedingungen des Alls auftreten könnte. Tatsächlich überleben nur wenige Spezialisten im Tierreich, etwa die Bärtierchen und manche Zuckmückenlarven, kurze Abstecher ins All. Dies setzt aber einen allmählichen Anpassungsprozess voraus, in dem die Tiere allmählich in einen ausgetrockneten, quasi gefriergetrockneten Zustand übergehen, aus dem sie bei passenden Umweltbedingungen wieder aufwachen. Der polymerisierte amphiphile Nanoraumanzug bildet sich dagegen sehr schnell. Und zumindest theoretisch könnte sich diese Schutzhülle auch auf kryptozoologischen Organismen oder prokaryontischen Extremophilen im All ausbilden, wenn sie auf freie Elektronen oder ionisiertes Plasma stoßen, vermuten die Forscher. Solcherart geschützte Organismen könnten dann womöglich sogar eine längere Reise im All überleben.

16. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 16. KW 2013

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  • Quellen
Proc. Natl. Acad. Sci. 10.1073/pnas.12213411110, 2013

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