Gästebuch

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Die Letzten verwendeten Sporen wie auch z.T. diese die auf die Reise gingen sind von uns zur Verfügung gestellt worden, gesammelt von Barbara Feldt. 

Mit freundlicher Überlassung des Artikels und der kopierten Email von Frau Katja Neuberger (DLR):

Jetzt geht es tatsächlich los.
Morgen um 15:38 (Moskauer Zeit, hier 13:38) werden meine Proben von 
Baikonur in Kasachstan zur ISS gebracht. Am Morgen des 19.12. werden 
dann der russische Kosmonaut Yuri V. Lonchakov und er NASA Commander E. 
Michael Fincke die Proben an der Aussenseite der ISS montieren und das 
Experiment starten.
Bitte alle Daumen drücken, dass nichts mehr schief geht.

Projekt “Untersuchungen an Pilz- und Farnsporen” im Experiment „Spores in Artificial Meteorites“

1.     Einleitung

Bereits vor über Hundert Jahren stellten unabhängig voneinander Richter (1865), Lord Kelvin (1871) und Arrhenius (1903) die Theorie der Panspermie auf, dem möglichen Transport von Material von einem Planeten zu einem anderen. Vor einiger Zeit wurde das Thema im Zuge der Suche nach dem Ursprung des Lebens wieder aufgegriffen. Allerdings gibt es einige Kritikpunkte, da die Organismen drei Phasen überleben müssen: a) den Abschuss vom Spenderplaneten, b) den Langzeitaufenthalt im Weltraum und c) die Landung auf dem neuen Planeten. Dabei müssen sie Strahlung in verschiedenen Formen, Temperaturextremen und Vakuum zurechtkommen. Im Rahmen des Weltraumexperimentes „Spores in artificial meteorites“ (SPORES), das eingegliedert in das Projekt „Responses of the Organisms to the Space Environment“(ROSE) ist, sollen die Möglichkeiten und Grenzen während des Transportphase untersucht werden. Dieses soll in der EXPOSE-Anlage der ESA auf der Internationalen Raumstation (externe Plattform) durchgeführt werden. Im Vordergrund stehen Sporen von Bacillus subtilis, stresstolerante Pilzsporen sowie extrem widerstandsfähige Sporen von verschiedenen Farnen. Im Vorfeld des eigentlichen Weltraumexperimentes werden aktuell Simulationen am Luft- und Raumfahrtzentrum in Köln durchgeführt mit dem Ziel geeignete Testorganismen und deren Grenzparameter (Temperatur, Vakuum, UV-Strahlung) zu definieren. Bei einigen Sporen wird auch der potentielle Schutz durch Einschluss in einen Meteoriten untersucht. Dieser Aspekt entfällt jedoch bei den Farnen, da für das Weltraumexperiment nur eine sehr begrenzte Probenanzahl zur Verfügung steht.

2.                 Versuchsablauf

Die Sporen werden dazu in 5x5 mm große Beutel aus UV- und gasdurchlässige BioFolie geschweißt. Anschließend werden die Beutel in die „Hardware“ eingebaut. Dazu kommt jeweils eine Probe in jede Aussparung und wird speziellen Filtern abgedeckt, die nur definierte Wellenlängen und Dosis von UV-Strahlung durchlassen

.

Die Proben werden dann mit unterschiedlichen Faktoren behandelt, z.B. Temperaturextreme und – schwankungen, Vakuum, UV-Strahlung in verschiedenen Wellenlängen und Dosen. Zum Überprüfen der Vitalität werden die Farnsporen in-vitro-Kultur zum Keimen gebracht. Dabei wird der Prozentsatz gekeimter Sporen, sowie die Keimdauer bestimmt. In Tab. 1 sind die bisher verwendeten Farne und deren Herkunft aufgelistet.

Tab. 1: Verwendete Farnpflanzen und ihre Herkünfte

Die beiden Selaginella-Arten konnten nicht zur Keimung gebracht werden. Dies lag im Fall von S. lepidophylla („Rose von Jericho“) mit großer Wahrscheinlichkeit am Alter der Sporen, da sie bereits seit mehreren Jahren gelagert waren. Selaginella-Arten besitzen zwei Arten von Sporen. Die so genannten Megasporen, die um ein Vielfaches größer als die Mikrosporen sind, sind wesentlich empfindlicher und werden bei der Sporenentnahme aus den so genannten Strobili (= Sporophyllstände) leicht zerstört. Da jedoch DNA-Analysen von Einzelpflanzen gemacht werden sollen, ist ein Überleben beider Sporenformen notwendig, die zu weiblichen und männlichen Gametophyten keimen müssen mit einer daran anschließenden Befruchtung. Die geringe mechanische Resistenz der Megasporen lässt diese Farnarten allerdings als ungeeignet für die Weltraumexposition erscheinen. Darüber hinaus stellt die Nachlieferung frischer Sporen im Fall von S. lepidophylla ein großes Problem dar, da diese nur bei Feldsammlungen in den Wüstengebieten Mexikos gesammelt werden können. Eine weitere Beschäftigung mit dieser Organismengruppe unterblieb daher in Zukunft.

Wesentlich keimwilliger erwiesen sich die anderen Farnarten. Die verschiedenen Farnarten zeigten eine unterschiedliche Keimdauer, C-Fern keimte bereits nach 5 Tagen,  Frauenfarn nach eine Woche, Wurmfarn und Mauerraute nach ca. 14 Tagen. Dabei bevorzugten alle Farnarten für die Keimung flüssiges Nährmedium, eine Verfestigung mit Agar erwies sich erst für die Kultur der Gametophyten als sinnvoll. Die Gametophyten einzelnen Farnarten unterscheiden sich in ihrer Wuchsform: Während C-Fern eine sehr charakteristische Form mit ausgeprägten Rhizoiden zeigt (Abb. 2) und Frauenfarn eine eher längliche Form aufweist (Abb. 3), wächst Wurmfarn herzförmig (Abb. 4). Die beiden letztgenannten Arten bildeten in vitro Sporophyten aus. Abbildung 5 zeigt einen jungen Sporophyten von A. filix-femina, der auf dem ca. 3 Monate alten Gametophyten entstand.

Abb. 2: Gametophyt von Ceratopteris richardii       Abb. 3:  Gametophyt von A. filix-femina

(1cm = 40 µm)                                                       (1 cm = 40 µm)

Abb. 4:  Gametophyten von D. filix-mas (links: 18d nach der Aussaat, rechts: 31 d nach der Aussaat; 1cm = 40 µm)

                Abb. 5: Junger Sporophyt von A. filix-mas

Abbildung 6: Sporophyt von D.filix-mas

Abbildung 7: Sporophyt von C. ricardii

Ein großes Problem bei der in vitro-Keimung stellen Kontaminationen mit Mikroorganismen und Algen dar. Eine Oberflächensterilisation mit NaOCl vor der Aussaat beeinträchtigt die Keimfähigkeit der meisten Farnsporen (mit Ausnahme von C-Fern) und ist daher nicht optimal. Weder die Antibiotika Gentamycin, Nystatin, noch Amphotericin B konnten die pilzlichen Kontaminationen nachhaltig beseitigen. Auch der Zusatz von Anti-Algenpräparaten (AlgoFin von Tetra Pond, Algizit) brachte keine Einschränkung des Algenwachstums. Als beste Möglichkeit hat sich die Oberflächensterilisation der jungen Gametophyten mit NaOCl erwiesen. Die Algenkontamination trat v.a. bei der Mauerraute auf und führte zu massiven Wachstumseinschränkungen der Gametophyten. Dies ist vermutlich auf die Nahrungskonkurrenz zwischen Farn und Algen zurückzuführen.

Bei der Verwendung von Farnsporen für die Simulationsversuche bzw. die eigentliche Exposition ist zu beachten, dass die Vitalität der Sporen natürlicherweise innerhalb eines Jahres massiv abnimmt. So sind beispielsweise Sporen des Adlerfarn nach einem Jahr nur noch zu 50% keimfähig, es wird von einer sigmoiden Sporen-Überlebenskurve ausgegangen. Aus diesem Grund muss mit möglichst frischen Sporen gearbeitet werden, was bei den europäischen Arten zumindest einfacher sein dürfte.

3.                 Simulationsexperimente (Experiment Verification Tests, EVT)

Einfluss von Vakuum und UV

Die Farnsporen von Dryopteris filix-mas, Athyrium filix-femina und Asplenium ruta-muraria wurden in Flüssigmedium ausgesät und die Keimung bonitiert. Die Keimung und das Wachstum waren bei der Mauerraute durch starke Algenkontamination beeinträchtigt. Als Ergebnis zeigte sich, dass die Farnsporen nach Vakuum- und UV-Behandlung auskeimten, wenn auch zeitlich sehr verzögert (6-7 Wochen nach der Aussaat). Die Wurmfarnsporen keimten ebenfalls, allerdings bereits nach 1-2 Wochen. Die Vitalität nach Vakuumbehandlung war bei den Farnen unterschiedlich. Dryopteris filix-mas (Vakuum: 79%, Argon: 64%,  unbehandelt 95%). Athyrium filix-femina (Vakuum: 15%, Argon: 23%, unbehandelt: 33%).

Einfluss von Temperatur

Zum einen sollte das obere Temperaturlimit untersucht werden (2 Wochen bei 40° C mit 1h bzw. 1d Einschub von 60° C bzw. 2 Wochen 60° C; alle 3 Varianten mit/ohne Vakuum), zum anderen der Einfluss der Oszillation um den Gefrierpunkt (stündlicher Wechsel zwischen +20° C und -20° C über 2 Wochen, je mit und ohne Vakuum; 2 Wochen bei -80° C, unterbrochen durch 1d bei + 20° C). Verwendet wurden die Farne Athyrium filix-femina und Dryopteris  filix-mas. Die Behandlung mit 60°C führte zu einer verzögerten Keimung.

A filix-femina  (unbehandelt 8 Tage, Vakuum + 60°C 14 Tage, normale Atmosphäre + 60°C 21 Tage)

D.filix-mas: (unbehandelt 18 Tage, Vakuum + 60°C 20 Tage, normale Atmosphäre + 60°C 27 Tage)

Andauerndes Schwanken um 0°C führte ebenfalls zu einer verzögerten Keimung

A.filix-femina (unbehandelt 8 Tage, ±O°C  21 Tage), D.filix-mas (unbehandelt 18 Tage, ±O°C  23 Tage).

4.                 Ausblick

Im Sommer 2007 ist der Start für das eigentliche Weltraumprojekt geplant. Die Proben sollen für 1 Jahr an der Außenseite der Internationalen Raumstation (ISS) angebracht werden. Im Anschluss daran soll, zurück auf der Erde, die Vitalität untersucht werden. Desweiteren soll ein weiteres Simulationsexperiment SSIOUX starten, bei dem die bereits verwendeten, aber evtl. auch weitere Farnarten, genauer untersucht werden sollen.

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Stand: 08. Januar 2009