Gravitaciona biologija

Riba Opsanus tau je odličan model koji koristi gravitaciona i kosmička biologija za izučavanje efekta mikrogravitacije na nervni sistem. Ogled je izveden u Spejs šatl misiji STS-90)

Gravitaciona biologija je naučna disciplina koja proučava uticaje koje gravitacija ima na žive organizme. Kroz istoriju život na Zemlji je neprestano evoluirao kako bi živi svet na njoj preživeo promenljive uslove, kao što su promene u klimi i karakteristikama staništa. Jedina konstantan faktor u evoluciji, sa kojim je život na Zemlji počeo i danas deluje, je sila gravitacije. Kao posledica dejstva zemljine gravitacije, svi biološki procesu su navikli na dejstvo prisutne gravitacione sile, pa zato čak i najmanje varijacije u njenoj snazi, pravcu ili smeru delovanja mogu imati značajan uticaj na zdravlje i funkciju organizama. Naučnici su takođe otkrili i pozitivn uticaj gravitacije na živa bića jer su utvrdili da ako ćelije rastu bez uticaja gravitacije Zemlje, one formiraju tkivo koje više liči prirodniom tkivu u telu. .

Naučnici koji proučavaju uticaj gravitacije na žive organizme i njihov život nazivaju se gravitacioni biolozi. Oni sa različitim grupama naučnika i inženjera nastoje da podstaknu razmenu ideja i pristupe osnovnim i primenjenim biološkim istraživanja u gravitacionoj nauci kako na Zemlji tako i u svemiru.

Gravitacija i zadaci gravitacione biologije

Gravitacija odnosno sila teže je fizička interakcija koja izaziva privlačenje između tela, a što je posledica njihove mase. To je jedna od četiri osnovne sile koje deluju u prirodi, predstavlja silu privlačenja između materijalnih tela svih veličina - od atoma do planeta u galaksijama, zvezda u univerzumu, itd. Gravitacija je sila kojom planeta Zemlja privlači i drži sve materijalne stvari (živa bića i predmete) na svojoj površini i još se naziva i Zemljina teža. Sva materijalna tela poseduju silu gravitacije, ali su te sile daleko manje nego sila Zemljine teže koja se oseća i na 80.000 kilometara udaljenosti od Zemlje. Gravitaciona sila na površini zemlje, koja se obično naizva g-sila, od postanka Zemlje je konstantne veličine u oba smer i od formiranja planete iznosi; g = 9,81 m/s².

Kako u prirodnim naukama postoji bezbroj pitanja povezanih sa zemljinom gravitacijom na koje treba pronaći odgovore, nastala je i posebna oblast biologije, gravitaciona biologija, koja treba da odgovori na sledeća pitanja o efekatima gravitacije na žive organizame;

• Kako tačno ćelija registruje gravitacione signale?
• Da li na gravitaciju reaguju pojedinične ćelije, ili samo višećelijske struktura?
• Koje su razlike između pojedinih vrsta, po tome kako one osećaju i reaguju na gravitaciju?
• Koji su to mehanizmi pomoću kojih i naredne generacije trpe posledice odsustva gravitacije?
• Kako svemirska mikrogravitaciona sredina utiče na ponašanje, životni vek, i starenje organizama?

Zato su glavni zadaci gravitacione biologije, kao nauke vođene željom za novim saznanjima u oblasti biologije, da izuči uticaje gravitacije i pokuša da odgovori na ova i brojna druga pitanja i otkrije prirodu odnosa između fizičkih zakona univerzuma i živih bića, kako bi što svestranije razumeli univerzum u kome živimo..

Životinje u borbi sa gravitacijom

Gravitacija je imala uticaj na razvoj životinjskog sveta od prvog jednoćelijskog organizma. Veličina pojedinih bioloških ćelija, je obrnuto proporcionalna intenzitetu gravitacionog polja koje deluje na ćeliju. Zato se u najjačem gravitacionom polju veličina ćelija smanjuje, a u slabom gravitaciona polju povećava. Gravitacija tada postaje ograničavajući faktor rasta pojedinih ćelija.

Ćelije koje su prirodno veće nego što im je gravitacija to dozvolila, morale su razviti metode unutrašnje zaštite svojih struktura. Neka od tih metoda zasnivaju se na; pokretima protoplazme, duge na tankom obliku tela ćelije, povećanoj viskoznosti citoplazme, ili velikom smanjenje specifične težine komponenata ćelija u odnosu na zemljinu.

Efekti gravitacije u mnogim jednoćelijskih organizama su još dramatičniji. U periodu kada je evoluirala prva životinja kako bi opstala na zemlji, kroz neki oblik uspravnog kretanja, morala je da poseduje neki spoljašnji ili unutrašnji skelet, koji je bio neophodan da se uz pomoć njega izbori sa povećanom težinom sopstvenog tela, izazvanom silom gravitacije. Pre nego što se u evoluciji životinja ovo desilo, većina životnih oblika bilo je male veličine, nalik crvima ili meduzama. Bez ovog iskoraka u evoluciji, živa bića na Zemlji ne bi bila u stanju da održe svoj oblik ili se kreću po njenoj površini.

U širem smislu gravitaciona sila u organizmu zemaljskih kičmenjake utiče i na njihov mišićni sistem, sistem za ravnotežu, cirkulatorni sistem, distribuciju tečnosti i unutrašnju dinamiku kretanja materija.

Značaj bestežinskog stanja

Razvoj i rast ćelija, biljaka i životinja ne može se proučavati u odsustvu gravitacije, zato je od velikog značaja sticanje uvida u to kako gravitacija utiče na život, životne procese i zdravlje živih bića na Zemlji. Ljudske, biljne i životinjske ćelije izložene bestežinskom okruženju nakon samo nekoliko dana pokazuju strukturne i funkcionalne promene. Brojni eksperimenti pokazali su da promene u ćelijskom metabolizmu, funkcijama imunskih ćelija, deobi ćelija itd, nastaju u svim ćelijama za vreme boravka živih bića u svemiru. Na primer, posle nekoliko dana boravka u mikrogravitaciji, ćelije ljudskog imunskog sistema nisu uspele da se diferenciraju u zrele ćelije.

Zato su istraživanje svemira od velikog značaja i ogromna blagodat za dalji rad gravitacione biologije jer su stvorila jedinstvenu priliku gravitacionim biolozizma da eksperimentišu u realnim uslovima hipo ili mikrogravitacije koja vlada u svemiru. Šta to znači? Ako se određene ćelije u svemiru ne mogu diferencirati, organizam nije u stanju da se uspešno reprodukuju nakon izlaganja nultoj gravitaciji. Naučnici veruju da je stres u svemirskim letovima odgovoran za nemogućnost raspoznavanja određenih ćelija. Stres može da izmeni metaboličku aktivnosti i poremeti hemijske procesa i iozazove promene u organizmu, pa čak i u samo jednoj ćeliji.

„Na primer, mikrogravitacija ometa razvoj koštanih ćelija. Koštane ćelije umiru ako ne mogu da se prikače uz nešto. Bez gravitacije ne postoji silazni pritisak na koštane ćelije, pa one okolo besciljno plutaju i na kraju propadaju. Ova promena sugeriše da gravitacija može ovim ćelijama da da nagoveštaj gde da se priključe.“

Kultivisanje ćelija u svemiru

Umetnika vizija svemirske kolonije sa svemirskim baštama za višegodišnji boravak čoveka u kosmosu, Don Davis (1976)

Kosmičke bašte

Za duga kosmička putovanja Prave se kosmičke bašte, U kojima rastu povrće i žita, Iako to nisu vrtovi iz mašte.

U baštama kosmičkih brodova Već se gaje žito i salata Oni su tamo, u Kosmosu, Vredniji od suvog zlata

Deo pesme dr Jovana Davidovića aviofiziologa

Druga oblast kojom se bavi gravitaciona biologija je kultivisanje ćelija u svemiru, gde se u mikrogravitacionom okruženju stvaraju određeni uslovi i prednosta za rast tkiva. U laboratorijama, na Zemlji, ćelije se gaje u petrijevim posudama. U njima one obično rastu u obliku dvodimenzionalnih slojeva na dnu posude. U živom organizmu, međutim, ćelije formiraju tkivo sasvim drugačijih karakteristika. One rastu u obliku trodimenzionalnih slojeva tkiva koja se sastoje od specijalizovanih i diferenciranih ćelija. Zato što ćelije koje se gaje u petrijevim posudama ili in vitro uslovima ne prave razliku, one su esencijalno beskorisne u biomedicinskim aplikacijama kao što su tkivni graftovi.

Međutim, naučnici su otkrili da ako ćelije rastu bez uticaja gravitacije Zemlje, one formiraju strukturu tkiva, koja više liči prirodniom tkivu u telu. Eksperimenti su pokazali da je mikrogravitacija jako korisna za kulturu ćelija i rast tkiva, što može biti od velikog značaja za biomedicinske nauke.

Uticaj gravitacije na rast biljaka

Na Zemlji, gravitacija igra presudnu ulogu u rastu biljaka, jer postoji tropizam koji usmereva pokrete biljaka u određenom smeru kao odgovor na na dejstvo stimulusa iz određenog pravca. Kod pojedinih vrsta biljaka tropizam se manifestuje kao gravitropizam, kod kojeg su pokreti stimulisani dejstvom gravitacije. Tako je npr. prostiranje korenja u pravcu gravitacije, ili vektorski gledano prema središtu zemlje, suprotno od sunca. Dok cvetovi i stabljike rastu suprotno od sile gravitacije, prema suncu.

Kako biljke osećaju gravitaciju? One to čine lučenjem hormona. Jedan određena grupa hormona, koji se zovu ćelijski auksini (called auxins), odgovorni su za izduženja ćelija korena. Auksini se sintetizuju u određenom delu biljke, odakle migriraju sve do korena, gde se akumuliraju pod dejstvom gravitacije i stimulišu rast ćelija korena. Hormoni su na sličan način odgovorni i za rast lastara biljaka u suprotnom smeru od gravitacije.

U svemiru, međutim, u uslovima mikrogravitacije hemijski signali koji se obično aktiviraju gravitacijom izostaju, ili bar ne deluju u određenom pravcu. Masa biljke uspevaju i rastu u svemiru, neke su pokazale neobične odgovore na dejstvo nulte gravitacije. U ćelijama korena nekih biljka primećeno je prisustvo promene u hromozomima. Takođe je interesantno i da je rast korena nekih biljaka u svemiru značajno brži nego kod istih tih biljkaka na Zemlji.

Naučnici još uvek ne mogu u potpunosti da objasne razloge ovakvog ponašanja biljaka i zato se trenutno sprovode brojna istraživanja. Temeljno razumevanje procesa kako biljke rastu i reprodukuju se u svemiru od suštinskog je značaja za dalji uspeh budućih međuplanetarnih svemirskih misija, u kojima će rast useva biti primaran (i možda jedini) izvor hrane za posadu svemirskih letelica.

Spoljašnje veze

• (jezik: engleski) Fundamental space biology Accomplishments Report 2000–2002