Livet på Jorden bruges til tyngdekraften. Så hvad sker der med vores celler og væv i rummet?
Se ma, ingen tyngdekraft! Billede via NASA.
Af Andy Tay, University of California, Los Angeles
Der er en styrke, hvis effekter er så dybt forankrede i vores hverdag, at vi sandsynligvis ikke overhovedet tænker over det: tyngdekraften. Tyngdekraft er den kraft, der forårsager tiltrækning mellem masserne. Det er grunden til, at når du fælder en pen, falder den til jorden. Men fordi tyngdekraften er proportional med objektets masse, er det kun store objekter som planeter, der skaber konkrete attraktioner. Dette er grunden til, at tyngdekravet traditionelt fokuserede på massive genstande som planeter.
Vores første bemandede rummissioner ændrede dog fuldstændigt, hvordan vi tænkte på tyngdekraftens effekter på biologiske systemer. Tyngdekraften holder os ikke bare forankrede til jorden; det påvirker, hvordan vores kroppe fungerer på den mindste skala. Nu med udsigten til længere rumopgaver, arbejder forskere med at finde ud af, hvad en mangel på tyngdekraft betyder for vores fysiologi - og hvordan man kan kompensere for det.
Ved måneder lange ekspeditioner i rummet skal astronauters kroppe beskæftige sig med et tyngdekraftsfrit miljø, meget anderledes end hvad de er vant til på Jorden. Billede via NASA.
Fri fra tyngdekrafts greb
Først opdagede opdagelsesrejsende til rummet, at nogen jordisk væsen havde tilbragt tid i et mikrogravitetsmiljø.
Forskere observerede, at tilbagevendende astronauter var vokset højere og havde reduceret knoglen og muskelmassen væsentligt. Forvirrede begyndte forskere at sammenligne blod- og vævsprøver fra dyr og astronauter før og efter rumfarten for at vurdere indflydelsen af tyngdekraften på fysiologien. Astronaut-videnskabsmænd i det internationale rumstations stort set tyngdekraftfrie miljø begyndte at undersøge, hvordan celler vokser, mens de er i rummet.
De fleste eksperimenter på dette felt udføres faktisk på Jorden, dog ved hjælp af simuleret mikrogravitet. Ved at spinde genstande - såsom celler - i en centrifuge med hurtige hastigheder, kan du oprette disse reducerede tyngdekraftforhold.
Vores celler har udviklet sig til at håndtere kræfter i en verden præget af tyngdekraft; hvis de pludselig er befriet for tyngdekraftens virkninger, begynder ting at blive mærkeligt.
Registrering af kræfter på celleniveau
Sammen med tyngdekraften udsættes vores celler også for yderligere kræfter, herunder spændinger og forskydningsspændinger, efterhånden som forholdene ændrer sig i vores kroppe.
Vores celler har brug for måder at føle disse kræfter på. En af de bredt accepterede mekanismer er gennem, hvad der kaldes mechanofølsomme ionkanaler. Disse kanaler er porer på cellemembranen, der lader bestemte ladede molekyler passere ind eller ud af cellen afhængigt af de kræfter, de detekterer.
Kanaler i en celles membran fungerer som portvagtere, åbner eller lukker for at lade molekyler ind eller ud som svar på en bestemt stimulus. Billede via Efazzari.
Et eksempel på denne type mechano-receptor er PIEZO-ionkanalen, der findes i næsten alle celler. De koordinerer berøring og smertefølelse, afhængigt af deres placering i kroppen. For eksempel ville en klemme på armen aktivere en PIEZO-ionkanal i en sensorisk neuron og fortælle den at åbne portene.I mikrosekunder ville ioner som calcium komme ind i cellen og videregive informationen om, at armen fik klemt. Begivenhedsserien kulminerer med tilbagetrækning af armen. Denne form for kraftfølelse kan være afgørende, så celler hurtigt kan reagere på miljøforhold.
Uden tyngdekraft er kræfterne, der virker på mechanofølsomme ionkanaler, ubalanceret, hvilket forårsager unormale bevægelser af ioner. Ioner regulerer mange cellulære aktiviteter; hvis de ikke går, hvor de skal, når de skulle, går cellernes arbejde på højen. Proteinsyntese og cellemetabolisme forstyrres.
Fysiologi uden tyngdekraft
I løbet af de sidste tre årtier har forskerne omhyggeligt drillet, hvordan bestemte slags celler og kropssystemer påvirkes af mikrogravitet.
-
Hjerne: Siden 1980'erne har forskere observeret, at fraværet af tyngdekraft fører til forbedret blodopbevaring i overkroppen, og således øget tryk i hjernen. Nylig forskning antyder, at dette øgede tryk reducerer frigivelsen af neurotransmittere, nøglemolekyler, som hjerneceller bruger til at kommunikere. Dette fund har motiveret undersøgelser af almindelige kognitive problemer, såsom indlæringsvanskeligheder, ved tilbagevenden af astronauter.
-
Ben og muskler: Rumets vægtløshed kan forårsage mere end 1 procent knogletab per måned, selv i astronauter, der gennemgår strenge træningsregimer. Nu bruger forskere fremskridt inden for genomik (undersøgelsen af DNA-sekvenser) og proteomics (studiet af proteiner) for at identificere, hvordan knoglecelle metabolisme reguleres af tyngdekraften. I mangel af tyngdekraft har forskere fundet, at den type celler, der er ansvarlig for knogledannelse, undertrykkes. Samtidig aktiveres den type celler, der er ansvarlig for nedbrydende knogler. Sammen tilføjer det op til accelereret knogletab. Forskere har også identificeret nogle af de nøglemolekyler, der kontrollerer disse processer.
-
Immunitet: Rumfartøjer er genstand for streng sterilisering for at forhindre overførsel af fremmede organismer. Ikke desto mindre inficerede en opportunistisk patogen astronaut Fred Haise under Apollo 13-missionen. Denne bakterie, Pseudomonas aeruginosa, inficerer normalt kun immunkompromitterede individer. Denne episode udløste mere nysgerrighed omkring, hvordan immunsystemet tilpasser sig rummet. Ved at sammenligne astronauters blodprøver før og efter deres rumopgaver opdagede forskere, at manglen på tyngdekraft svækker T-cellers funktioner. Disse specialiserede immunceller er ansvarlige for at bekæmpe en række sygdomme, fra forkølelse til dødbringende sepsis.
Indtil videre er der ingen hurtig-fix erstatning for tyngdekraften. Billede via Andy Tay.
Kompenserer for den manglende tyngdekraft
NASA og andre rumfartsbureauer investerer for at støtte strategier, der vil forberede mennesker til rumrejser på længere afstand. At finde ud af, hvordan man modstår mikrogravitet, er en stor del af det.
Rumøvelse på den internationale rumstation. Billede via NASA.
Den nuværende bedste metode til at overvinde fraværet af tyngdekraft er at øge belastningen på cellerne på en anden måde - via træning. Astronauter tilbringer typisk mindst to timer hver dag løb og vægtløftning for at opretholde et sundt blodvolumen og mindske tab af knogler og muskler. Desværre kan strenge øvelser kun bremse forringelsen af astronauternes sundhed og ikke forhindre det helt.
Kosttilskud er en anden metode forskere undersøger. Gennem store genomiske og proteomiske undersøgelser har videnskabsmænd formået at identificere specifikke celle-kemiske interaktioner påvirket af tyngdekraften. Vi ved nu, at tyngdekraften påvirker nøglemolekyler, der kontrollerer cellulære processer som vækst, opdeling og migration. F.eks. Har neuroner, der er dyrket i mikrogravitet på den internationale rumstation, færre af en slags receptor for neurotransmitteren GABA, der kontrollerer motoriske bevægelser og syn. Tilføjelse af mere GABA-gendannet funktion, men den nøjagtige mekanisme er stadig uklar.
NASA vurderer også, om tilføjelse af probiotika til rumfødevarer for at styrke astronautens fordøjelses- og immunsystem kan hjælpe med at afværge de negative virkninger af mikrogravitet.
I de tidlige dage med rumrejse var en af de første udfordringer at finde ud af, hvordan man kunne overvinde tyngdekraften, så en raket kunne bryde fri for Jordens træk. Nu er udfordringen, hvordan man opvejer de fysiologiske virkninger af en mangel på tyngdekraft, især under lange rumflyvninger.
Andy Tay, Ph.D. Studerende i bioingeniørarbejde, University of California, Los Angeles
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.