Er is één kracht waarvan de effecten zo diep verankerd zijn in ons dagelijks leven dat we er waarschijnlijk niet veel over nadenken:zwaartekracht. Zwaartekracht is de kracht die aantrekkingskracht tussen massa's veroorzaakt. Daarom, als je een pen laat vallen, het valt op de grond. Maar omdat de zwaartekracht evenredig is met de massa van het object, alleen grote objecten zoals planeten creëren tastbare attracties. Dit is de reden waarom de studie van de zwaartekracht zich traditioneel concentreerde op massieve objecten zoals planeten.

Onze eerste bemande ruimtemissies, echter, veranderde volledig hoe we dachten over de effecten van zwaartekracht op biologische systemen. De zwaartekracht houdt ons niet alleen aan de grond verankerd; het beïnvloedt hoe ons lichaam werkt op de kleinste schaal. Nu met het vooruitzicht van langere ruimtemissies, onderzoekers proberen erachter te komen wat een gebrek aan zwaartekracht betekent voor onze fysiologie - en hoe we dit kunnen compenseren.

Bevrijd uit de greep van de zwaartekracht

Pas toen ontdekkingsreizigers naar de ruimte reisden, had een aards wezen tijd doorgebracht in een microzwaartekrachtomgeving.

Wetenschappers merkten op dat terugkerende astronauten groter waren geworden en de bot- en spiermassa aanzienlijk hadden verminderd. Gefascineerd, onderzoekers begonnen bloed- en weefselmonsters van dieren en astronauten voor en na de ruimtevaart te vergelijken om de impact van de zwaartekracht op de fysiologie te beoordelen. Astronauten-wetenschappers in de grotendeels zwaartekrachtvrije omgeving van het internationale ruimtestation ISS begonnen te onderzoeken hoe cellen groeien in de ruimte.

De meeste experimenten op dit gebied worden feitelijk op aarde uitgevoerd, Hoewel, met behulp van gesimuleerde microzwaartekracht. Door objecten – zoals cellen – met hoge snelheden in een centrifuge te laten draaien, je kunt deze omstandigheden met verminderde zwaartekracht creëren.

Onze cellen zijn geëvolueerd om met krachten om te gaan in een wereld die wordt gekenmerkt door zwaartekracht; als ze plotseling worden bevrijd van de effecten van de zwaartekracht, dingen beginnen vreemd te worden.

Krachten detecteren op cellulair niveau

Samen met de zwaartekracht, onze cellen worden ook onderworpen aan extra krachten, inclusief trek- en schuifspanningen, als de omstandigheden in ons lichaam veranderen.

Onze cellen hebben manieren nodig om deze krachten te voelen. Een van de algemeen aanvaarde mechanismen is via zogenaamde mechanogevoelige ionkanalen. Deze kanalen zijn poriën op het celmembraan die bepaalde geladen moleculen de cel in of uit laten, afhankelijk van de krachten die ze detecteren.

Een voorbeeld van dit soort mechano-receptor is het PIEZO-ionkanaal, gevonden in bijna alle cellen. Ze coördineren aanraking en pijnsensatie, afhankelijk van hun locatie in het lichaam. Bijvoorbeeld, een snuifje op de arm zou een PIEZO-ionkanaal activeren in een sensorisch neuron, zeggen dat hij de poorten moet openen. In microseconden, ionen zoals calcium zouden de cel binnendringen, het doorgeven van de informatie dat de arm bekneld was geraakt. De reeks gebeurtenissen culmineert in het terugtrekken van de arm. Dit soort krachtdetectie kan cruciaal zijn, zodat cellen snel kunnen reageren op omgevingscondities.

Zonder zwaartekracht, de krachten die inwerken op mechanisch gevoelige ionkanalen zijn onevenwichtig, abnormale bewegingen van ionen veroorzaken. Ionen reguleren veel cellulaire activiteiten; als ze niet gaan waar ze zouden moeten wanneer ze zouden moeten, het werk van de cellen raakt in de war. Eiwitsynthese en cellulair metabolisme zijn verstoord.

Fysiologie zonder zwaartekracht

In de afgelopen drie decennia is onderzoekers hebben zorgvuldig uitgezocht hoe bepaalde soorten cellen en lichaamssystemen worden beïnvloed door microzwaartekracht.

• Hersenen:sinds de jaren 80, wetenschappers hebben waargenomen dat de afwezigheid van zwaartekracht leidt tot een verhoogde bloedretentie in het bovenlichaam, en dus verhoogde druk in de hersenen. Recent onderzoek suggereert dat deze verhoogde druk de afgifte van neurotransmitters vermindert, sleutelmoleculen die hersencellen gebruiken om te communiceren. Deze bevinding heeft geleid tot onderzoeken naar veelvoorkomende cognitieve problemen, zoals leerproblemen, bij terugkerende astronauten.
• Bot en spieren:de gewichtloosheid van de ruimte kan meer dan 1 procent botverlies per maand veroorzaken, zelfs bij astronauten die strenge trainingsregimes ondergaan. Nu gebruiken wetenschappers vooruitgang in genomica (de studie van DNA-sequenties) en proteomics (de studie van eiwitten) om te identificeren hoe het metabolisme van botcellen wordt gereguleerd door de zwaartekracht. Bij afwezigheid van zwaartekracht, wetenschappers hebben ontdekt dat het type cellen dat verantwoordelijk is voor botvorming wordt onderdrukt. Tegelijkertijd wordt het type cellen geactiveerd dat verantwoordelijk is voor het afbreken van bot. Samen zorgt het voor versneld botverlies. Onderzoekers hebben ook enkele van de belangrijkste moleculen geïdentificeerd die deze processen beheersen.
• Immuniteit:Ruimtevaartuigen worden onderworpen aan strenge sterilisatie om overdracht van vreemde organismen te voorkomen. Hoe dan ook, tijdens de Apollo 13-missie, een opportunistische pathogeen geïnfecteerde astronaut Fred Haise. Deze bacterie, Pseudomonas aeruginosa, infecteert meestal alleen immuungecompromitteerde personen. Deze aflevering zorgde voor meer nieuwsgierigheid naar hoe het immuunsysteem zich aanpast aan de ruimte. Door bloedmonsters van astronauten voor en na hun ruimtemissies te vergelijken, onderzoekers ontdekten dat het gebrek aan zwaartekracht de functies van T-cellen verzwakt. Deze gespecialiseerde immuuncellen zijn verantwoordelijk voor de bestrijding van een reeks ziekten, van verkoudheid tot dodelijke sepsis.

Compensatie voor het gebrek aan zwaartekracht

NASA en andere ruimteagentschappen investeren om strategieën te ondersteunen die mensen voorbereiden op ruimtereizen over langere afstanden. Uitzoeken hoe we microzwaartekracht kunnen weerstaan, is daar een groot deel van.

De huidige beste methode om de afwezigheid van zwaartekracht te overwinnen, is om de belasting van de cellen op een andere manier te vergroten - via lichaamsbeweging. Astronauten besteden doorgaans minstens twee uur per dag aan hardlopen en gewichtheffen om een ​​gezond bloedvolume te behouden en bot- en spierverlies te verminderen. Helaas, rigoureuze oefeningen kunnen de verslechtering van de gezondheid van de astronauten alleen maar vertragen, niet helemaal voorkomen.

Supplementen zijn een andere methode die onderzoekers onderzoeken. Door grootschalige genomics- en proteomics-studies, wetenschappers zijn erin geslaagd om specifieke cel-chemische interacties te identificeren die worden beïnvloed door de zwaartekracht. We weten nu dat zwaartekracht belangrijke moleculen aantast die cellulaire processen zoals groei, verdeeldheid en migratie. Bijvoorbeeld, neuronen die in microzwaartekracht op het internationale ruimtestation zijn gekweekt, hebben minder van één soort receptor voor de neurotransmitter GABA, die motorische bewegingen en visie regelt. Het toevoegen van meer GABA herstelde functie, maar het exacte mechanisme is nog onduidelijk.

NASA evalueert ook of het toevoegen van probiotica aan ruimtevoedsel om de spijsvertering en het immuunsysteem van astronauten te stimuleren, de negatieve effecten van microzwaartekracht kan helpen voorkomen.

In de begindagen van de ruimtevaart, een van de eerste uitdagingen was uitzoeken hoe de zwaartekracht te overwinnen, zodat een raket zich kon losmaken van de aantrekkingskracht van de aarde. Nu is de uitdaging hoe de fysiologische effecten van een gebrek aan zwaartekracht te compenseren, vooral tijdens lange ruimtevluchten.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.