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Lag Einstein falsch mit seiner Ansicht über Weltraumreisen?

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Stellen Sie sich zwei Brüder vor, eineiige Zwillinge. Einer bekommt einen Job als Astronaut und reist in den tiefen Weltraum. Der andere bleibt auf der Erde. Wenn der reisende Bruder zurückkehrt, stellt er fest, dass er jünger ist als sein Bruder.

Dies ist Einstein´s Zwillings-Paradoxon und auch wenn es seltsam klingt, so ist es doch absolut wahr. Die Theorie der Relativität sagt uns, desto schneller man durch den Raum reist, umso langsamer reist man durch die Zeit. Ein Flug nach Alpha Centauri - Warp 9, bitte - ist eine gute Möglichkeit jung zu leiben. 

Oder etwa nicht?

Einige Forscher fangen an zu glauben, dass Weltraumreisen genau den gegenteiligen Effekt haben könnten. Es könnte einen frühzeitig altern lassen.

"Das Problem mit Einstein´s Paradoxon ist, dass es die Biologie nicht mit einbezieht -- speziell Weltraumstrahlung und die Biologie des Alterns," sagt Frank Cucinotta, NASA's leitender Wissenschaftler für Strahlungsstudien am Johnson Space Center.

Während der Astronauten-Zwilling durch das All rast, erklärt Cucinotta, sind seine Chromosomen den durchdringenden kosmischen Strahlen ausgesetzt. Dies kann die Telomere beschädigen -- kleine molekulare "Kappen" an den Enden seiner DNA. Hier auf der Erde wurde der Abbau der Telomere mit dem Altern in Verbindung gebracht.

Bisher war dieses Risiko nicht von entscheidender Bedeutung: Der Effekt bei Astronauten des Shuttles und der Raumstation, wenn überhaupt vorhanden, wäre sehr gering. Diese Astronauten bewegen sich innerhalb des schützenden Erdmagnetfeldes, welches kosmische Strahlung ablenkt.

Bis zum Jahr 2018 allerdings plant die NASA Menschen in Gebiete außerhalb dieser schützenden Blase zu schicken, um zum Mond zurückzukehren und irgendwann einmal zum Mars zu reisen. Die Astronauten dieser Missionen könnten für Wochen und Monate der kosmischen Strahlung ausgesetzt sein. Natürlich ist die NASA eifrig dabei herauszufinden, ob die Gefahr der "Strahlungs-Alterung" wirklich existiert, und wenn, wie man damit fertig wird. 

Die Wissenschaft fängt gerade erst an, sich mit dieser Frage zu beschäftigen. "Die Wahrheit ist, dass wir nur sehr wenige Informationen über [den Zusammenhang zwischen] Strahlung und Verlust der Telomere haben," sagt Jerry Shay, ein Zellbiologe der University of Texas Southwestern Medical Center in Dallas. Mit Unterstüzung der NASA untersuchen Shay und andere das Problem. Was sie über das Altern herausfinden, könnte jedem helfen, auf der Erde und im Weltraum.

Ein beleuchteter Zeitzünder

Wie der Zeitzünder einer Bombe, sind Telomere lange Stränge sich wiederholender DNA, die jedes Mal kürzer werden, wenn sich eine Zelle teilt. Wenn die Telomere zu kurz werden, ist die Zeit der Zelle abgelaufen: Sie kann sich nicht länger teilen, eine Folge von Abläufen, bekannt als "Replikative Vergreisung."

Ohne diesen eingebauten Zeitzünder würden sich menschliche Zellen für immer teilen und wachsen. In der Tat glauben Wissenschaftler, dass die Zelle die Telomere entwickelt hat um das unkontrollierte Wachstum, wie es  Tumorzellen an den Tag legen, zu verhindern. Aufgrund der Telomere können sich menschliche Zellen nur etwa 50 bis 100 Mal teilen, bevor die Zeitbombe explodiert.

Eine aktuelle Theorie des Alterns ist, dass wenn die Zellen eines Körpers an die Enden der Telomer-gesetzten Limits kommen, führt der Mangel an frischen, neuen Zellen zu den typischen Anzeichen des Alterns: runzelige Haut, Organe, die nicht mehr funktionieren, schwächeres Immunsystem, usw.

Ob nun die Telomere wirklich zur Alterung führen, bleibt weiterhin Thema von Debatten, bemerkt Shay. Die Tatsache, dass verkürzte Telomere Hand in Hand mit der Alterung kommen, ist ausreichend dokumentiert. Menschen mit kürzeren Telomeren leben nachweislich nicht so lange wie der durchschnittliche Mensch mit längeren Telomeren. Allerdings beweißt der reine Zusammenhang nicht, ob Telomere wirklich die Ursache sind.

"Es ist schwierig Ursache und Effekt in diesem Fall zu beweisen. Aber ich meine, dass es eine ausreichende Anzahl von diesen korrelierenden Studien, von einer großen Anzahl unterschiedlicher Forscher gibt, so dass man anfangen muss zu glauben, dass kurze Telomere ein Marker für das Altern sind," sagt Shay.

Neuere Forschungen, durchgeführt von Frank Cucinotta und Kollegen, zeigten, dass Strahlung von Eisenkernen (eine Hauptkomponente der kosmischen Strahlung) in der Tat die Telomere von menschlichen Zellen beschädigt: Referenz.

Um dies zu beweisen setzten sie Petrischalen, die eine Art menschlicher Blutzellen enthielten, genannt Lymphozyten, einem Strahl von Eisenkernen und Gammastrahlung aus. Bis vor kurzem noch wäre solch eine genaue Analyse der Schäden an den Telomeren viel zu zeitaufwändig gewesen. Aber eine neue Methode der Zellfärbung, genannt RxFISH (Rainbow cross-species Fluorescence In Situ Hybridization) erlaubte Cucinotta und seinen Kollegen sich mehrere Telomere gleichzeitig anzuschauen.

"Wir erhielten das überraschende Ergebnis, dass Eisenteilchen die Telomere wesentlich mehr schädigen als Gammastrahlen," sagt Cucinotta. Er schlägt vor, dass dieser Unterschied vielleicht durch den größeren Pfad der Zerstörung, den die Eisenkerne verursachen, hervorgerufen wird. Telomere liegen eingehüllt in gestreckten Spiralen, wie kleine Knoten, an den Enden der Chromosomen. Gammastrahlung kann nur eine Seite dieser Spirale treffen, wohingegen Eisenkerne beide Seiten zur gleichen Zeit betreffen können, und dadurch bleibende Schäden an den Telomeren bewirken -- möglicherweise zu ihrer völligen Zerstörung führen. Diese Erklärung ist jedoch bisher noch Spekulation.

Die Aufgabe ist es nun das Risiko einer Schädigung der Telomere von Astronauten quantitativ zu bestimmen, so dass Missionsleiter und Astronauten sachkundige Entscheidungen über die zu erwartenden Risiken treffen können. Allem Anschein nach werden die Effekte gering sein, sagt Shay.

"Wir reden über subtile Dinge. Diese Leute enden wahrscheinlich nicht im Rollstuhl oder etwas Ähnlichem dadurch, dass sie im Weltraum waren," sagt Shay.

Zum Beispiel zeigten sich bei den Astronauten, die der größten Weltraumstrahlung ausgesetzt waren, wie den Apollo Astronauten, die zum Mond reisten, 7 Jahre früher grauer Star, als im Durchschnitt. Grauer Star ist ein bekanntes Symptom im Alter.

Eine größere Sorge ist eine möglicherweise frühzeitige Alterung des Gehirns und des Rückenmarks. Experimente mit Ratten haben gezeigt, dass Gewebe im Gehirn anfällig ist für "Alterung" durch Strahlung von Eisenkernen -- nach einer Studie von Jim Joseph von der Tufts University und Bernie Rabin von der University of Maryland. (Siehe Referenzen am Ende.)

"Es sieht mehr und mehr danach aus, dass dies das Problem einer langen Weltraumreise sein könnte," sagt Cucinotta.

Wenn Wissenschaftler jedoch Wege finden die genauen Ursachen der Schädlichkeit der Eisenteilchen in den Griff zu bekommen, sind sie vielleicht in der Lage einen Weg zu finden die Schäden zu korrigieren oder zu vermeiden. Die Lösung könnte so etwas Einfaches sein wie eine Pille, welche DNA-Reparatur Moleküle enthält. "Es gibt viele Wege wie wir eingreifen können," sagt Shay.

Wie auch immer, die NASA möchte dafür sorgen, dass sich ihre Astronauten jung fühlen.

Anmerkung des Verfassers: Diese Geschichte ist nicht entstanden um zu zeigen, dass Einstein´s Relativitätstheorie falsch ist. Sie ist richtig. Das Zwillingsparadoxon wurde von Einstein nur eingeführt, um die Zeitdilatation zu illustrieren. Sie wurde nie erfunden, um alle Aspekte einer Weltraumreise zu behandeln. Der neu entdeckte Effekt der Weltraumstrahlung auf die Telomere ist das "Paradox des Paradoxes," sagt Frank Cucinotta.

Quelle: Science@NASA

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