A gravitációs biológia egy tudományos tudományág, amely a gravitáció élő szervezetekre gyakorolt hatását vizsgálja. A földi élet története során az élőlények olyan változó tényezők hatására fejlődtek ki, mint például az éghajlat és az élőhely változásai [1] . De a gravitáció, ellentétben az éghajlattal és az élőhellyel, a Földön állandóan ható, jellemzőiben (tájolás és intenzitás) változatlan tényező. A gravitáció azonban ugyanúgy hozzájárul minden élő szervezet evolúciójához, mint az időben változó tényezők. Az élő szervezetek evolúciós fejlődése a gravitációval való állandó küzdelem körülményei között ment végbe, ami kompenzációs mechanizmusok kialakulásához vezetett (például a csontváz fejlődése az állatokban és a mechanikai szövetek fejlődése a növényekben), amelyek tökéletesen ellátják feladataikat földi körülmények között. . Nyilvánvalóan a gravitáció hiánya vagy erőteljes csökkenése ( mikrogravitáció ), valamint a földi szinthez viszonyított növekedése ( hipergravitáció ) mélyreható hatással van a legtöbb szárazföldi élő szervezetre [2] [3] .
Azokat a tudósokat, akik a gravitáció élő szervezetekre és életükre gyakorolt hatását vizsgálják , gravitációs biológusoknak nevezik. A gravitációs biológusok arra törekszenek, hogy megkönnyítsék az eszmecserét a tudósok és mérnökök különböző csoportjaival , ami lehetővé teszi új alkalmazott és alapvető biológiai kutatási módszerek kidolgozását a gravitációs tudományban, mind a Földön, mind az űrben [4] .
A gravitáció a természetben működő négy alapvető erő egyike . A gravitáció a különböző méretű anyagi testek közötti vonzóerő – az emberek testében lévő atomoktól a csillagokig az univerzumban . A Föld gravitációja az az erő, amellyel a Föld vonzza és a felszínén tartja az összes anyagi tárgyat. Minden anyagi tárgynak megvan a maga gravitációs vonzása, arányos ezeknek az objektumoknak a tömegével, így a kis tárgyak vonzóereje jóval kisebb, mint a Föld gravitációs ereje, amely a Földtől 80 000 kilométeres távolságban hat. A Föld felszínére ható gravitációs erő nagysága és iránya állandó: -{g}- = 9,81 -{m/s2}- .
Számos kérdés merül fel a Föld gravitációjának élő szervezetekre gyakorolt hatásával kapcsolatban. A gravitációs biológia tanulmányozása, különösen a következő kérdések:
Az űrrepülések korszakának kezdetével az emberiség szembesült azzal az igénysel, hogy súlytalan körülmények között is biztosítani kell a normális életet és az emberi munka hatékonyságát. A probléma megoldásához kapcsolódó gyakorlati problémák mellett a gravitációs biológia számos alapvető kérdést megold az emberi, állati és növényi fiziológia, a sejtjelátvitel és sejtdifferenciálódás , valamint az embriológia területén . A súlytalanság a legtöbb esetben negatív hatással van a többsejtű élőlények fejlődésére és működésére, azonban a súlytalanság élőlényekre gyakorolt pozitív hatását is megállapították [5] .
A gravitáció az első egysejtű szervezet megjelenése óta befolyásolja az állatvilág fejlődését. Az egyes biológiai sejtek mérete fordítottan arányos a sejtre ható gravitációs tér intenzitásával. Hipergravitációs körülmények között a sejtek mérete kisebb lesz, mint a Föld gravitációs mezejének körülményei között, súlytalanság esetén pedig a sejtek nagyobb méreteket érnek el. Így a gravitáció a korlátozó tényező az egyes sejtek növekedésében [6] .
A sejtek azonban részben képesek felülkerekedni a gravitáció által támasztott korlátokon, bizonyos intracelluláris struktúráknak, különösen a citoszkeletonnak köszönhetően, amely lehetővé teszi a sejtek számára, hogy megtartsák alakjukat a Föld gravitációs körülményei között. A sejtek föld gravitációjához való alkalmazkodásának tekinthetjük még a protoplazma mozgását , a sejtek hosszú és vékony formáit, a citoplazma viszkozitásának növekedését és a sejtkomponensek fajsúlyának jelentős csökkenését [7] [8] .
Jelenleg a hosszú távú bolygóközi űrrepülésekre való felkészülés szükségessége miatt vizsgálják a súlytalanság hatását a gerincesek és az emberek mozgásszervi, szív- és érrendszeri, nyirokrendszerére és immunrendszerére [9] .
A sejtek , növények és állatok fejlődésének és növekedésének tanulmányozása gravitáció hiányában nagy jelentőséggel bír annak megértésében, hogy a gravitáció hogyan befolyásolja a Földön élő lények létfontosságú tevékenységét, növekedését és fejlődését. A növények, állatok és emberek súlytalanságában néhány nap alatt strukturális és funkcionális változások megjelenése következik be. Számos kísérlet kimutatta, hogy az űrben való tartózkodás megváltozik a sejtanyagcserében, az immunsejtek működésében, a sejtosztódásban stb. Például több napos mikrogravitáció után az emberi immunrendszer egyes progenitor sejtjei megszűntek differenciálódni érett sejtekké [10]. ] [11] . A tudósok azonban úgy vélik, hogy a sejtdifferenciálódás változásai nem a mikrogravitációnak való kitettséggel, hanem az űrrepüléssel kapcsolatos stresszel járhatnak. A stressz megváltoztathatja az anyagcsere-tevékenységet és megzavarhatja a szervezet biokémiai reakcióit.
„A mikrogravitáció például gátolja a csontsejtek fejlődését. A csontsejtek elpusztulnak, ha nem kapcsolódnak egymáshoz vagy az extracelluláris mátrixhoz. Súlytalanságban kisebb nyomás nehezedik a csontsejtekre, így kevesebb a sejtközötti kapcsolatuk, és gyakrabban halnak meg. Ezek a tények arra utalnak, hogy a gravitáció irányíthatja ezeknek a sejteknek a fejlődését.
Egy másik terület, amellyel a gravitációs biológia foglalkozik, a sejtek térben történő tenyésztése, ahol a mikrogravitációs környezetben bizonyos feltételek és előnyök jönnek létre a szövetek növekedéséhez. A földi laboratóriumokban a sejteket Petri-csészékben növesztik. De egy élő szervezetben a sejtek teljesen eltérő tulajdonságú szöveteket alkotnak. Háromdimenziós szövetrétegekként nőnek, amelyek speciális és differenciált sejtekből állnak. Mivel a sejteket Petri-csészékben vagy in vitro tenyésztik, a körülmények nem teszik lehetővé a szövetet alkotó különböző típusú sejtek differenciálódását, és alapvetően használhatatlanok az orvosbiológiai célokra, például a szövetátültetésre. A fiziológiailag releváns sejtes mikrokörnyezet modellezésére különféle sejttenyésztési módszereket alkalmaznak, például dinamikus tenyésztést [12] .
A tudósok azonban azt találták, hogy ha a sejtek a Föld gravitációja nélkül nőnek, olyan szerkezetet alkotnak, amely jobban hasonlít a test természetes szöveti struktúráihoz. Kísérletek kimutatták, hogy a mikrogravitáció alkalmasabb sejttenyésztésre és szövetnövekedésre, mint a szárazföldi körülmények, aminek nagy jelentősége lehet az orvosbiológiai technológiák számára [9] .
A gravitáció döntő szerepet játszik a növények növekedésében, mert a növényeknek megvan a gravitropizmus tulajdonsága: a gravitáció irányától függően képesek egy bizonyos irányban növekedni. A növényi gyökerek általában pozitív gravitropizmussal rendelkeznek, a Föld közepe felé nőnek, míg a növények zöld hajtásai negatív gravitropizmussal rendelkeznek, és a gravitációs vektorral ellenkező irányban nőnek.
Hogyan érzékelik a növények a gravitációt? Erre a hormonok elválasztása révén képesek. Az egyik ilyen hormon az auxin , amely biztosítja a gyökérsejtek növekedését és megnyúlását. Az auxinok a növény egyik vagy másik föld feletti részében szintetizálódnak, ahonnan levándorolnak a gyökerekhez, a gravitáció hatására felhalmozódnak és serkentik a gyökérsejtek növekedését. A hormonok felelősek a növényi hajtások gravitációval ellentétes irányú növekedéséért is.
A mikrogravitációban a világűrben hiányoznak azok a kémiai jelek, amelyeket általában a gravitációs erő aktivál, vagy legalábbis nem képesek gravitropizmust biztosítani. Az űrben tömegesen növekvő növények szokatlan reakciókat mutattak a súlytalanság hatásaira . Egyes növényi sejtek gyökereiben kromoszómák változásait figyelték meg . Az is érdekes, hogy egyes növények sokkal gyorsabban növesztik gyökereiket az űrben, mint ugyanazok a növények a Földön.
A tudósok még mindig nem tudják teljesen megmagyarázni a növények ilyen viselkedésének okait, ezért jelenleg számos tanulmány folyik. A növények űrben való növekedésének és szaporodásának folyamatainak alapvető megértése elengedhetetlen a bolygóközi űrrepülés jövőbeli sikeréhez, amelyben az űrben nyert termény lesz a fő (és talán az egyetlen) táplálékforrás az űrszonda legénysége számára [13] ] .