Livet på Jorden er vant til tyngdekraften - så hvad sker der med vores celler og væv i rummet?

Der er én kraft, hvis virkninger er så dybt forankret i vores hverdag, at vi nok slet ikke tænker så meget over det:tyngdekraften. Tyngdekraften er den kraft, der forårsager tiltrækning mellem masser. Det er derfor, når du taber en kuglepen, det falder til jorden. Men fordi tyngdekraften er proportional med objektets masse, kun store objekter som planeter skaber håndgribelige attraktioner. Dette er grunden til, at studiet af tyngdekraften traditionelt fokuserede på massive objekter som planeter.

Vores første bemandede rummissioner, imidlertid, ændrede fuldstændig, hvordan vi tænkte om tyngdekraftens virkninger på biologiske systemer. Tyngdekraften holder os ikke bare forankret til jorden; det påvirker, hvordan vores kroppe fungerer på den mindste skala. Nu med udsigten til længere rummissioner, forskere arbejder på at finde ud af, hvad mangel på tyngdekraft betyder for vores fysiologi - og hvordan man kan råde bod på det.

Befriet fra tyngdekraftens greb

Det var ikke før opdagelsesrejsende rejste til rummet, at ethvert jordisk væsen havde tilbragt tid i et mikrogravitationsmiljø.

Forskere observerede, at hjemvendte astronauter var blevet højere og havde væsentligt reduceret knogle- og muskelmasse. fascineret, forskere begyndte at sammenligne blod- og vævsprøver fra dyr og astronauter før og efter rumrejser for at vurdere tyngdekraftens indvirkning på fysiologien. Astronautforskere i det stort set tyngdekraftsfrie miljø på den internationale rumstation begyndte at undersøge, hvordan celler vokser, mens de er i rummet.

De fleste eksperimenter på dette område er faktisk udført på Jorden, selvom, ved hjælp af simuleret mikrogravitation. Ved at dreje genstande – såsom celler – i en centrifuge med høj hastighed, du kan skabe disse reducerede tyngdekraftsforhold.

Vores celler har udviklet sig til at håndtere kræfter i en verden præget af tyngdekraft; hvis de pludselig bliver befriet fra tyngdekraftens virkninger, ting begynder at blive mærkelige.

Detektering af kræfter på cellulært niveau

Sammen med tyngdekraften, vores celler er også udsat for yderligere kræfter, herunder spændinger og forskydningsspændinger, efterhånden som forholdene ændrer sig i vores krop.

Vores celler har brug for måder at fornemme disse kræfter på. En af de bredt accepterede mekanismer er gennem det, der kaldes mekano-følsomme ionkanaler. Disse kanaler er porer på cellemembranen, der lader bestemte ladede molekyler passere ind eller ud af cellen afhængigt af de kræfter, de detekterer.

Et eksempel på denne slags mekano-receptor er PIEZO-ionkanalen, findes i næsten alle celler. De koordinerer berøring og smertefornemmelse, afhængig af deres placering i kroppen. For eksempel, et klem på armen ville aktivere en PIEZO-ionkanal i en sensorisk neuron, beder den åbne portene. På mikrosekunder, ioner såsom calcium ville trænge ind i cellen, videregive informationen om, at armen kom i klemme. Rækken af ​​begivenheder kulminerer med tilbagetrækning af armen. Denne form for kraftføling kan være afgørende, så celler hurtigt kan reagere på miljøforhold.

Uden tyngdekraft, kræfterne, der virker på mekano-følsomme ionkanaler, er ubalancerede, forårsager unormale bevægelser af ioner. Ioner regulerer mange cellulære aktiviteter; hvis de ikke går, hvor de skal, når de skal, cellernes arbejde går galt. Proteinsyntese og cellulær metabolisme forstyrres.

Fysiologi uden tyngdekraft

I løbet af de sidste tre årtier, forskere har omhyggeligt drillet ud af, hvordan bestemte typer celler og kropssystemer påvirkes af mikrogravitation.

• Hjerne:Siden 1980'erne, Forskere har observeret, at fraværet af tyngdekraft fører til øget blodretention i overkroppen, og dermed øget tryk i hjernen. Nyere forskning tyder på, 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, i hjemvendte astronauter.
• Knogle og muskler:Vægtløsheden i rummet kan forårsage mere end 1 procent knogletab om måneden, selv hos astronauter, der gennemgår strenge træningsregimer. Nu bruger forskere fremskridt inden for genomik (studiet af DNA-sekvenser) og proteomics (studiet af proteiner) til at identificere, hvordan knoglecellers stofskifte reguleres af tyngdekraften. I fravær af tyngdekraft, videnskabsmænd har fundet ud af, at den type celler, der er ansvarlige for knogledannelse, undertrykkes. Samtidig aktiveres den type celler, der er ansvarlige for at nedbryde knogler. Tilsammen bidrager det til accelereret knogletab. Forskere har også identificeret nogle af de nøglemolekyler, der styrer disse processer.
• Immunitet:Rumfartøjer er genstand for streng sterilisering for at forhindre overførsel af fremmede organismer. Alligevel, under Apollo 13-missionen, en opportunistisk patogeninficeret astronaut Fred Haise. Denne bakterie, Pseudomonas aeruginosa, inficerer normalt kun immunsvækkede individer. Denne episode udløste mere nysgerrighed om, hvordan immunsystemet tilpasser sig rummet. Ved at sammenligne astronauters blodprøver før og efter deres rummissioner, forskere opdagede, at manglen på tyngdekraft svækker T-cellernes funktioner. Disse specialiserede immunceller er ansvarlige for at bekæmpe en række sygdomme, fra almindelig forkølelse til dødelig sepsis.

Kompenserer for manglen på tyngdekraft

NASA og andre rumbureauer investerer for at støtte strategier, der vil forberede mennesker til længere afstande i rummet. At finde ud af, hvordan man kan modstå mikrogravitation er en stor del af det.

Den nuværende bedste metode til at overvinde fraværet af tyngdekraft er at øge belastningen på cellerne på en anden måde - via træning. Astronauter bruger typisk mindst to timer hver dag på at løbe og løfte vægten for at opretholde en sund blodvolumen og reducere knogle- og muskeltab. Desværre, strenge øvelser kan kun bremse forringelsen af ​​astronauternes helbred, ikke forhindre det helt.

Kosttilskud er en anden metode, forskere undersøger. Gennem storstilet genomik og proteomik undersøgelser, forskere har formået at identificere specifikke celle-kemiske interaktioner påvirket af tyngdekraften. Vi ved nu, at tyngdekraften påvirker nøglemolekyler, der styrer cellulære processer som vækst, division og migration. For eksempel, neuroner dyrket i mikrotyngdekraft på den internationale rumstation har færre af en slags receptor for neurotransmitteren GABA, som styrer motoriske bevægelser og syn. Tilføjelse af mere GABA-gendannet funktion, men den nøjagtige mekanisme er stadig uklar.

NASA vurderer også, om tilsætning af probiotika til rummad for at booste astronauters fordøjelse og immunsystem kan hjælpe med at afværge de negative virkninger af mikrotyngdekraft.

I de tidlige dage af rumrejser, en af ​​de første udfordringer var at finde ud af, hvordan man overvinder tyngdekraften, så en raket kunne bryde fri af Jordens træk. Nu er udfordringen, hvordan man kan udligne de fysiologiske virkninger af mangel på gravitationskraft, især under lange rumflyvninger.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.