Gravitationsbiologi er en videnskabelig disciplin, der studerer tyngdekraftens effekt på levende organismer. Gennem hele livets historie på Jorden har organismer udviklet sig under indflydelse af variable faktorer såsom ændringer i klima og levesteder [1] . Men tyngdekraften, i modsætning til klimaet og habitatet, er en konstant virkende på Jorden, uændret i sine karakteristika (orientering og intensitet), en faktor. Tyngdekraften bidrager imidlertid til udviklingen af alle levende organismer på samme måde, som tidsvarierende faktorer gør. Den evolutionære udvikling af levende organismer fandt sted under forhold med konstant kamp med tyngdekraften, hvilket førte til fremkomsten af kompenserende mekanismer (for eksempel udviklingen af skelettet i dyr og mekaniske væv i planter), som perfekt udfører deres funktioner under jordiske forhold . Det er klart, at fraværet eller det skarpe fald i tyngdekraften ( mikrogravitation ), såvel som dens stigning i forhold til jordens niveau ( hypergravity ) har en dybtgående effekt på de fleste jordlevende organismer [2] [3] .
Forskere, der studerer tyngdekraftens virkning på levende organismer og deres liv , kaldes gravitationsbiologer. Gravitationsbiologer søger at lette udvekslingen af ideer med forskellige grupper af videnskabsmænd og ingeniører , hvilket muliggør udviklingen af nye anvendte og fundamentale metoder til biologisk forskning inden for tyngdekraftsvidenskab, både på Jorden og i rummet [4] .
Tyngdekraften er en af de fire grundlæggende kræfter , der virker i naturen. Tyngdekraften er tiltrækningskraften mellem materielle kroppe af alle størrelser - fra atomer i menneskers kroppe til stjerner i universet . Jordens tyngdekraft er den kraft, hvormed planeten Jorden tiltrækker og holder alle materielle genstande på sin overflade. Alle materielle genstande har deres egen tyngdekraft, proportional med disse genstandes masser, så små genstandes tiltrækningskraft er meget mindre end Jordens tyngdekraft, som virker i en afstand af 80.000 kilometer fra Jorden. Tyngdekraften på Jordens overflade er konstant i størrelse og retning: -{g}- = 9,81 -{m/s2}- .
Der er mange spørgsmål relateret til effekten af Jordens tyngdekraft på levende organismer. Gravitationsbiologistudier, især følgende spørgsmål:
Med begyndelsen af æraen med rumflyvninger stod menneskeheden over for behovet for at sikre et normalt liv og effektivitet af menneskeligt arbejde under vægtløse forhold. Ud over de praktiske problemer, der er forbundet med at løse dette problem, løser gravitationsbiologi en række grundlæggende spørgsmål inden for menneske-, dyre- og plantefysiologi, cellesignalering og celledifferentiering og embryologi . I de fleste tilfælde har vægtløshed negative effekter på udviklingen og funktionen af flercellede levende organismer, dog er der også fundet en positiv effekt af vægtløshed på levende væsener [5] .
Tyngdekraften har påvirket udviklingen af dyreliv siden fremkomsten af den første encellede organisme. Størrelsen af individuelle biologiske celler er omvendt proportional med intensiteten af gravitationsfeltet, der virker på cellen. Under forhold med hypertyngdekraft vil cellernes størrelse være mindre end under forholdene i Jordens gravitationsfelt, og under forhold med vægtløshed vil cellerne nå større størrelser. Tyngdekraften er således den begrænsende faktor i væksten af individuelle celler [6] .
Imidlertid er celler i stand til delvist at overvinde de begrænsninger, der pålægges af tyngdekraften, på grund af nogle intracellulære strukturer, især cytoskelettet, som tillader celler at bevare deres form under betingelserne for Jordens tyngdekraft. Som en tilpasning af celler til jordens tyngdekraft kan man også overveje protoplasmas bevægelse , lange og tynde former for celler, øget viskositet af cytoplasmaet og et signifikant fald i cellekomponenternes specifikke vægtfylde [7] [8] .
På grund af behovet for at forberede sig på langvarige interplanetariske rumflyvninger, undersøges virkningen af vægtløshed på muskuloskeletale, kardiovaskulære, lymfe- og immunsystemer hos hvirveldyr og mennesker i øjeblikket [9] .
Studiet af udvikling og vækst af celler , planter og dyr i fravær af tyngdekraft er af stor betydning for at forstå, hvordan tyngdekraften påvirker den vitale aktivitet, vækst og udvikling af levende væsener på Jorden. At være i vægtløshed hos planter, dyr og mennesker på få dage fører til udseendet af strukturelle og funktionelle ændringer. Talrige eksperimenter har vist, at det at være i rummet medfører ændringer i cellulært stofskifte, immuncellefunktioner, celledeling osv. For eksempel, efter flere dage med at være i mikrogravitation, ophørte nogle stamceller fra det menneskelige immunsystem med at differentiere til modne celler [10 ] [11] . Forskere mener dog, at ændringer i celledifferentiering måske ikke er forbundet med eksponering for mikrogravitation, men med stress forbundet med rumflyvning. Stress kan ændre metabolisk aktivitet og forstyrre biokemiske reaktioner i kroppen.
”For eksempel hæmmer mikrogravitation udviklingen af knogleceller. Knogleceller dør, hvis de ikke er forbundet med hinanden eller til den ekstracellulære matrix. Ved vægtløshed er der mindre pres på knogleceller, så de har færre intercellulære kontakter og dør oftere. Disse fakta tyder på, at tyngdekraften kan styre udviklingen af disse celler."
Et andet område, som gravitationsbiologien beskæftiger sig med, er dyrkning af celler i rummet, hvor visse betingelser og fordele for vævsvækst skabes i et mikrogravitationsmiljø. I laboratorier på Jorden dyrkes celler i petriskåle. Men i en levende organisme danner celler væv med helt andre egenskaber. De vokser som tredimensionelle lag af væv, der består af specialiserede og differentierede celler. Fordi cellerne dyrkes i petriskåle eller in vitro, tillader betingelserne ikke differentiering af de forskellige typer celler, der udgør vævet, og de er i det væsentlige ubrugelige til biomedicinske formål såsom vævstransplantation. For at modellere et fysiologisk relevant cellulært mikromiljø anvendes forskellige cellekulturmetoder, såsom dynamisk kultur [12] .
Forskere har dog fundet ud af, at hvis celler vokser uden påvirkning af Jordens tyngdekraft, danner de en struktur, der minder mere om de naturlige vævsstrukturer i kroppen. Eksperimenter har vist, at mikrogravitation er mere velegnet til cellekultur og vævsvækst end terrestriske forhold, hvilket kan have stor betydning for biomedicinske teknologier [9] .
Tyngdekraften spiller en afgørende rolle i plantevækst, fordi planter har egenskaben gravitropisme: evnen til at vokse i en bestemt retning afhængigt af tyngdekraftens retning. Planterødder har en tendens til at have positiv gravitropisme, der vokser mod jordens centrum, mens grønne skud på planter har negativ gravitropisme og vokser i den modsatte retning af tyngdekraftvektoren.
Hvordan mærker planter tyngdekraften? De er i stand til at gøre dette gennem udskillelse af hormoner. Et af disse hormoner er auxiner , som sikrer vækst og forlængelse af rodceller. Auxiner syntetiseres i en eller anden overjordisk del af planten, hvorfra de vandrer ned til rødderne, akkumuleres under påvirkning af tyngdekraften og stimulerer væksten af rodceller. Hormoner er også ansvarlige for væksten af planteskud i den modsatte retning af tyngdekraften.
I det ydre rum i mikrogravitation er de kemiske signaler, der normalt aktiveres af tyngdekraften, fraværende eller i det mindste ikke i stand til at give gravitropisme. Massedyrkning af planter i rummet har vist usædvanlige reaktioner på virkningerne af vægtløshed . Ændringer i kromosomerne blev observeret i rødderne af nogle planteceller . Det er også interessant, at nogle planter gror rødder i rummet meget hurtigere end de samme planter på Jorden.
Forskere kan stadig ikke fuldt ud forklare årsagerne til denne adfærd hos planter, så der udføres i øjeblikket adskillige undersøgelser. En grundlæggende forståelse af processerne for, hvordan planter vokser og formerer sig i rummet er afgørende for den fremtidige succes for interplanetarisk rumflyvning, hvor afgrøder opnået i rummet vil være den vigtigste (og måske eneste) fødekilde for besætningen på rumfartøjet [13 ] .