Das Leben auf der Erde ist an die Schwerkraft gewöhnt. Was passiert also mit unseren Zellen und Geweben im Weltraum?
Schau ma, keine Schwerkraft! Bild über die NASA.
Von Andy Tay, Universität von California, Los Angeles
Es gibt eine Kraft, deren Auswirkungen in unserem Alltag so tief verwurzelt sind, dass wir uns wahrscheinlich überhaupt nicht viel Gedanken darüber machen: die Schwerkraft. Die Schwerkraft ist die Kraft, die die Anziehung zwischen den Massen bewirkt. Wenn Sie einen Stift fallen lassen, fällt er auf den Boden. Da die Gravitationskraft proportional zur Masse des Objekts ist, erzeugen nur große Objekte wie Planeten greifbare Anziehungskräfte. Aus diesem Grund konzentrierte sich die Untersuchung der Schwerkraft traditionell auf massive Objekte wie Planeten.
Unsere ersten bemannten Weltraummissionen haben jedoch unsere Einschätzung der Auswirkungen der Schwerkraft auf biologische Systeme grundlegend geändert. Die Schwerkraft hält uns nicht nur am Boden fest. es beeinflusst, wie unser Körper auf kleinsten Skalen arbeitet. Mit der Aussicht auf längere Weltraummissionen arbeiten die Forscher nun daran, herauszufinden, was ein Mangel an Schwerkraft für unsere Physiologie bedeutet - und wie dies wieder wettgemacht werden kann.
Auf monatelangen Expeditionen im Weltraum müssen sich die Körper der Astronauten mit einer schwerkraftfreien Umgebung auseinandersetzen, die sich stark von der auf der Erde unterscheidet. Bild über die NASA.
Befreit von der Schwerkraft
Erst als Entdecker in den Weltraum reisten, hatte sich irgendein irdisches Wesen in einer Mikrogravitationsumgebung aufgehalten.
Wissenschaftler stellten fest, dass zurückkehrende Astronauten größer geworden waren und die Knochen- und Muskelmasse erheblich reduziert hatten. Interessiert begannen die Forscher, Blut- und Gewebeproben von Tieren und Astronauten vor und nach der Raumfahrt zu vergleichen, um den Einfluss der Schwerkraft auf die Physiologie zu bewerten. Astronautenwissenschaftler begannen in der weitgehend schwerkraftfreien Umgebung der Internationalen Raumstation zu untersuchen, wie Zellen im Weltraum wachsen.
Die meisten Experimente auf diesem Gebiet werden jedoch auf der Erde unter Verwendung der simulierten Mikrogravitation durchgeführt. Indem Sie Objekte wie Zellen in einer Zentrifuge mit hoher Geschwindigkeit drehen, können Sie diese reduzierten Schwerkraftbedingungen erzeugen.
Unsere Zellen haben sich entwickelt, um mit Kräften in einer Welt umzugehen, die von Schwerkraft geprägt ist. Wenn sie plötzlich von den Auswirkungen der Schwerkraft befreit werden, werden die Dinge merkwürdig.
Kräfte auf zellulärer Ebene erfassen
Zusammen mit der Schwerkraft sind unsere Zellen zusätzlichen Kräften ausgesetzt, einschließlich Zug- und Scherbeanspruchungen, wenn sich die Bedingungen in unserem Körper ändern.
Unsere Zellen brauchen Möglichkeiten, diese Kräfte zu spüren. Einer der weithin akzeptierten Mechanismen sind sogenannte mechanosensitive Ionenkanäle. Diese Kanäle sind Poren auf der Zellmembran, durch die bestimmte geladene Moleküle in Abhängigkeit von den von ihnen erfassten Kräften in die Zelle gelangen oder aus der Zelle austreten.
Kanäle in der Zellmembran fungieren als Gatekeeper und öffnen oder schließen sich, um Moleküle als Reaktion auf einen bestimmten Reiz ein- oder auszulassen. Bild über Efazzari.
Ein Beispiel für diese Art von Mechano-Rezeptor ist der PIEZO-Ionenkanal, der in fast allen Zellen vorkommt. Sie koordinieren Berührungs- und Schmerzempfinden in Abhängigkeit von ihren Körperstellen. Zum Beispiel würde eine Prise auf dem Arm einen PIEZO-Ionenkanal in einem sensorischen Neuron aktivieren und ihm sagen, dass es die Tore öffnen soll.In Mikrosekunden drangen Ionen wie Kalzium in die Zelle ein und gaben die Information weiter, dass der Arm eingeklemmt wurde. Die Reihe von Ereignissen gipfelt in einem Zurückziehen des Arms. Diese Art der Kraftmessung kann von entscheidender Bedeutung sein, damit Zellen schnell auf Umgebungsbedingungen reagieren können.
Ohne Schwerkraft sind die auf mechanisch empfindliche Ionenkanäle einwirkenden Kräfte ungleichmäßig und verursachen abnormale Ionenbewegungen. Ionen regulieren viele zelluläre Aktivitäten; Wenn sie nicht dorthin gehen, wo sie sollen, wo sie sollen, wird die Arbeit der Zellen drunter und drüber. Die Proteinsynthese und der Zellstoffwechsel sind gestört.
Physiologie ohne Schwerkraft
In den letzten drei Jahrzehnten haben Forscher sorgfältig herausgefunden, wie bestimmte Arten von Zellen und Körpersystemen von der Mikrogravitation betroffen sind.
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Gehirn: Seit den 1980er Jahren haben Wissenschaftler beobachtet, dass die Abwesenheit der Schwerkraft zu einer verbesserten Blutretention im Oberkörper und damit zu einem erhöhten Druck im Gehirn führt. Jüngste Forschungsergebnisse legen nahe, dass dieser erhöhte Druck die Freisetzung von Neurotransmittern, Schlüsselmolekülen, die Gehirnzellen zur Kommunikation verwenden, verringert. Dieses Ergebnis hat Studien zu häufigen kognitiven Problemen wie Lernschwierigkeiten bei zurückkehrenden Astronauten motiviert.
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Knochen und Muskeln: Die Schwerelosigkeit des Weltraums kann zu einem Knochenverlust von mehr als 1 Prozent pro Monat führen, selbst bei Astronauten, die strengen Trainingsprogrammen ausgesetzt sind. Jetzt nutzen Wissenschaftler Fortschritte in der Genomik (Untersuchung von DNA-Sequenzen) und der Proteomik (Untersuchung von Proteinen), um herauszufinden, wie der Stoffwechsel von Knochenzellen durch die Schwerkraft reguliert wird. In Abwesenheit der Schwerkraft haben Wissenschaftler herausgefunden, dass der Typ der Zellen, die für die Knochenbildung verantwortlich sind, unterdrückt wird. Gleichzeitig werden die für den Knochenabbau verantwortlichen Zelltypen aktiviert. Zusammen ergibt dies einen beschleunigten Knochenverlust. Forscher haben auch einige der Schlüsselmoleküle identifiziert, die diese Prozesse steuern.
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Immunität: Raumfahrzeuge werden einer strengen Sterilisation unterzogen, um die Übertragung von Fremdorganismen zu verhindern. Trotzdem infizierte ein opportunistischer Erreger während der Apollo 13-Mission den Astronauten Fred Haise. Diese Bakterien, Pseudomonas aeruginosa, infiziert normalerweise nur Personen mit geschwächtem Immunsystem. Diese Episode löste mehr Neugierde darüber aus, wie sich das Immunsystem an den Weltraum anpasst. Beim Vergleich der Blutproben von Astronauten vor und nach ihren Weltraummissionen stellten die Forscher fest, dass der Mangel an Schwerkraft die Funktionen von T-Zellen schwächt. Diese spezialisierten Immunzellen sind für die Bekämpfung einer Reihe von Krankheiten verantwortlich, von der Erkältung bis zur tödlichen Sepsis.
Bisher gibt es keinen schnellen Ersatz für die Schwerkraft. Bild über Andy Tay.
Ausgleich für die Schwerkraftlosigkeit
Die NASA und andere Weltraumagenturen investieren in die Unterstützung von Strategien, die den Menschen auf eine Raumfahrt über größere Entfernungen vorbereiten. Ein großer Teil davon ist es, herauszufinden, wie man der Mikrogravitation standhält.
Weltraumübung auf der Internationalen Raumstation. Bild über die NASA.
Die derzeit beste Methode, um die Abwesenheit der Schwerkraft zu überwinden, besteht darin, die Belastung der Zellen auf eine andere Weise zu erhöhen - durch Übung. Astronauten verbringen in der Regel mindestens zwei Stunden am Tag mit Laufen und Gewichtheben, um ein gesundes Blutvolumen aufrechtzuerhalten und den Knochen- und Muskelverlust zu reduzieren. Leider können rigorose Übungen die Verschlechterung der Gesundheit der Astronauten nur verlangsamen, nicht aber vollständig verhindern.
Ergänzungsmittel sind eine weitere Methode, die Forscher untersuchen. Durch groß angelegte Genomik- und Proteomikstudien ist es Wissenschaftlern gelungen, spezifische zellchemische Wechselwirkungen zu identifizieren, die von der Schwerkraft beeinflusst werden. Wir wissen jetzt, dass die Schwerkraft Schlüsselmoleküle beeinflusst, die zelluläre Prozesse wie Wachstum, Teilung und Migration steuern. Beispielsweise haben Neuronen, die in der Schwerelosigkeit auf der Internationalen Raumstation gezüchtet wurden, weniger Rezeptoren für den Neurotransmitter GABA, der die motorischen Bewegungen und das Sehen steuert. Hinzufügen von mehr GABA restaurierte Funktion, aber der genaue Mechanismus ist noch unklar.
Die NASA prüft auch, ob die Zugabe von Probiotika zur Raumfahrtnahrung, um das Verdauungs- und Immunsystem von Astronauten zu stärken, dazu beitragen kann, die negativen Auswirkungen der Mikrogravitation abzuwehren.
In den Anfängen der Raumfahrt bestand eine der ersten Herausforderungen darin, herauszufinden, wie die Schwerkraft überwunden werden kann, damit sich eine Rakete vom Zug der Erde lösen kann. Die Herausforderung besteht nun darin, die physiologischen Auswirkungen eines Mangels an Schwerkraft auszugleichen, insbesondere bei langen Weltraumflügen.
Andy Tay, Ph.D. Student in Bioengineering, Universität von California, Los Angeles
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.