Det finns en kraft vars effekter är så djupt förankrade i våra vardagliga liv att vi förmodligen inte tänker så mycket på det alls:gravitationen. Tyngdkraften är den kraft som orsakar attraktion mellan massor. Det är därför när du tappar en penna, den faller till marken. Men eftersom gravitationskraften är proportionell mot objektets massa, bara stora objekt som planeter skapar konkreta attraktioner. Det är därför som studien av gravitationen traditionellt fokuserade på massiva föremål som planeter.

Våra första bemannade rymduppdrag, dock, förändrade helt hur vi tänkte kring gravitationens effekter på biologiska system. Tyngdkraften håller oss inte bara förankrade vid marken; det påverkar hur våra kroppar fungerar på de minsta skalorna. Nu med utsikten till längre rymduppdrag, forskare arbetar med att ta reda på vad brist på gravitation betyder för vår fysiologi – och hur man kompenserar för det.

Befriad från gravitationens grepp

Det var inte förrän upptäcktsresande reste till rymden som någon jordisk varelse hade tillbringat tid i en mikrogravitationsmiljö.

Forskare observerade att återvändande astronauter hade vuxit sig längre och avsevärt minskat ben- och muskelmassa. Fascinerad, forskare började jämföra blod- och vävnadsprover från djur och astronauter före och efter rymdresor för att bedöma gravitationens inverkan på fysiologin. Astronautforskare i den i stort sett gravitationsfria miljön på den internationella rymdstationen började undersöka hur celler växer i rymden.

De flesta experiment inom detta område utförs faktiskt på jorden, fastän, med hjälp av simulerad mikrogravitation. Genom att snurra föremål – som celler – i en centrifug med höga hastigheter, du kan skapa dessa reducerade gravitationsförhållanden.

Våra celler har utvecklats för att hantera krafter i en värld präglad av gravitation; om de plötsligt blir befriade från gravitationens effekter, saker börjar bli konstiga.

Detekterar krafter på cellnivå

Tillsammans med tyngdkraften, våra celler utsätts också för ytterligare krafter, inklusive spänningar och skjuvspänningar, när förhållandena förändras i våra kroppar.

Våra celler behöver sätt att känna av dessa krafter. En av de allmänt accepterade mekanismerna är genom vad som kallas mekanokänsliga jonkanaler. Dessa kanaler är porer på cellmembranet som låter speciella laddade molekyler passera in eller ut ur cellen beroende på krafterna de upptäcker.

Ett exempel på denna typ av mekanoreceptor är PIEZO-jonkanalen, finns i nästan alla celler. De koordinerar beröring och smärta, beroende på deras placering i kroppen. Till exempel, en nypa på armen skulle aktivera en PIEZO-jonkanal i en sensorisk neuron, säger åt den att öppna portarna. I mikrosekunder, joner som kalcium skulle komma in i cellen, vidarebefordra informationen om att armen klämdes. Serien av händelser kulminerar i tillbakadragande av armen. Denna typ av kraftavkänning kan vara avgörande, så att celler snabbt kan reagera på miljöförhållanden.

Utan gravitation, krafterna som verkar på mekanokänsliga jonkanaler är obalanserade, orsakar onormala rörelser av joner. Joner reglerar många cellulära aktiviteter; om de inte går dit de ska när de borde, cellernas arbete går på tok. Proteinsyntes och cellulär metabolism störs.

Fysiologi utan gravitation

Under de senaste tre decennierna, forskare har noggrant retat ut hur vissa typer av celler och kroppssystem påverkas av mikrogravitation.

• Hjärna:Sedan 1980-talet, forskare har observerat att frånvaron av gravitation leder till ökad blodretention i överkroppen, och så ökat tryck i hjärnan. Ny forskning tyder på att detta förhöjda tryck minskar frisättningen av neurotransmittorer, nyckelmolekyler som hjärnceller använder för att kommunicera. Detta fynd har motiverat studier på vanliga kognitiva problem, som inlärningssvårigheter, i återvändande astronauter.
• Ben och muskler:Tyngdlösheten i rymden kan orsaka mer än 1 procent benförlust per månad, även hos astronauter som genomgår stränga träningsregimer. Nu använder forskare framsteg inom genomik (studiet av DNA-sekvenser) och proteomik (studiet av proteiner) för att identifiera hur bencellers metabolism regleras av gravitationen. I frånvaro av gravitation, forskare har funnit att den typ av celler som ansvarar för benbildningen undertrycks. Samtidigt aktiveras den typ av celler som ansvarar för nedbrytning av ben. Tillsammans bidrar det till accelererad benförlust. Forskare har också identifierat några av nyckelmolekylerna som styr dessa processer.
• Immunitet:Rymdfarkoster utsätts för strikt sterilisering för att förhindra överföring av främmande organismer. Ändå, under Apollo 13 -uppdraget, en opportunistisk patogen infekterad astronaut Fred Haise. Denna bakterie, Pseudomonas aeruginosa, infekterar vanligtvis endast individer med nedsatt immunförsvar. Detta avsnitt utlöste mer nyfikenhet om hur immunsystemet anpassar sig till rymden. Genom att jämföra astronauters blodprover före och efter deras rymduppdrag, forskare upptäckte att bristen på gravitation försvagar T-cellernas funktioner. Dessa specialiserade immunceller är ansvariga för att bekämpa en rad sjukdomar, från förkylning till dödlig sepsis.

Kompenserar för bristen på gravitation

NASA och andra rymdorganisationer investerar för att stödja strategier som kommer att förbereda människor för rymdresor på längre avstånd. Att ta reda på hur man tål mikrogravitation är en stor del av det.

Den nuvarande bästa metoden för att övervinna frånvaron av gravitation är att öka belastningen på cellerna på ett annat sätt – via träning. Astronauter spenderar vanligtvis minst två timmar varje dag med att springa och lyfta för att bibehålla en sund blodvolym och minska förlust av ben och muskler. Tyvärr, rigorösa övningar kan bara bromsa försämringen av astronauternas hälsa, inte förhindra det helt.

Kosttillskott är en annan metod som forskare undersöker. Genom storskaliga genomik och proteomikstudier, forskare har lyckats identifiera specifika cell-kemiska interaktioner som påverkas av gravitationen. Vi vet nu att gravitationen påverkar nyckelmolekyler som styr cellulära processer som tillväxt, division och migration. Till exempel, neuroner som växer i mikrogravitation på den internationella rymdstationen har färre av en sorts receptor för signalsubstansen GABA, som styr motoriska rörelser och syn. Lägger till mer GABA-återställd funktion, men den exakta mekanismen är fortfarande oklart.

NASA utvärderar också om tillägg av probiotika till rymdmat för att öka matsmältnings- och immunsystemet hos astronauter kan hjälpa till att avvärja de negativa effekterna av mikrogravitation.

I början av rymdresor, en av de första utmaningarna var att ta reda på hur man kan övervinna gravitationen så att en raket kunde bryta sig loss från jordens dragkraft. Nu är utmaningen hur man kan kompensera de fysiologiska effekterna av brist på gravitationskraft, särskilt under långa rymdflygningar.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.