Biologia gravitațională este o disciplină științifică care studiază efectul gravitației asupra organismelor vii. De-a lungul istoriei vieții pe Pământ, organismele au evoluat sub influența unor factori variabili, cum ar fi schimbările climatului și habitatului [1]. Dar gravitația, spre deosebire de climă și habitat, este un factor care acționează constant asupra Pământului, neschimbat în caracteristicile sale (orientare și intensitate), un factor. Gravitația, totuși, contribuie la evoluția tuturor organismelor vii în același mod în care o fac factorii care variază în timp. Dezvoltarea evolutivă a organismelor vii a avut loc în condiții de luptă constantă cu gravitația, ceea ce a dus la apariția unor mecanisme compensatorii (de exemplu, dezvoltarea scheletului la animale și a țesuturilor mecanice la plante), care își îndeplinesc perfect funcțiile în condiții terestre. . Evident, absența sau scăderea bruscă a gravitației ( microgravitația ), precum și creșterea acesteia față de nivelul pământului ( hipergravitație ) are un efect profund asupra majorității organismelor vii terestre [2] [3] .
Oamenii de știință care studiază efectul gravitației asupra organismelor vii și asupra vieții lor sunt numiți biologi gravitaționali. Biologii gravitaționali caută să faciliteze schimbul de idei cu diverse grupuri de oameni de știință și ingineri , ceea ce permite dezvoltarea de noi metode aplicate și fundamentale de cercetare biologică în știința gravitațională, atât pe Pământ, cât și în spațiu [4] .
Gravitația este una dintre cele patru forțe fundamentale care operează în natură. Gravitația este forța de atracție dintre corpurile materiale de toate dimensiunile - de la atomii din corpurile oamenilor până la stele din univers . Gravitația Pământului este forța cu care planeta Pământ atrage și ține toate obiectele materiale pe suprafața sa. Toate obiectele materiale au propria lor atracție gravitațională, proporțională cu masele acestor obiecte, astfel încât forța de atracție a obiectelor mici este mult mai mică decât forța gravitațională a Pământului, care acționează la o distanță de 80.000 de kilometri de Pământ. Forța gravitației pe suprafața Pământului este constantă ca mărime și direcție: -{g}- = 9,81 -{m/s2}- .
Există multe întrebări legate de efectul gravitației Pământului asupra organismelor vii. Biologia gravitațională studiază, în special, următoarele întrebări:
Odată cu începutul erei zborurilor spațiale, omenirea s-a confruntat cu nevoia de a asigura viața normală și eficiența muncii umane în condiții de greutate. Pe lângă problemele practice asociate cu rezolvarea acestei probleme, biologia gravitațională rezolvă o serie de întrebări fundamentale în domeniile fiziologiei umane, animale și vegetale, semnalizare celulară și diferențiere celulară și embriologie . În majoritatea cazurilor, imponderabilitate are efecte negative asupra dezvoltării și funcționării organismelor vii pluricelulare, totuși s-a constatat și un efect pozitiv al imponderabilității asupra ființelor vii [5] .
Gravitația a influențat dezvoltarea vieții animale de la apariția primului organism unicelular. Mărimea celulelor biologice individuale este invers proporțională cu intensitatea câmpului gravitațional care acționează asupra celulei. În condiții de hipergravitație, dimensiunea celulelor va fi mai mică decât în condițiile câmpului gravitațional al Pământului, iar în condiții de imponderabilitate, celulele vor atinge dimensiuni mai mari. Astfel, gravitația este factorul limitator în creșterea celulelor individuale [6] .
Cu toate acestea, celulele sunt capabile să depășească parțial limitările impuse de gravitație, datorită unor structuri intracelulare, în special, a citoscheletului, care permite celulelor să-și mențină forma în condițiile gravitației Pământului. Ca o adaptare a celulelor la gravitația pământului, se mai poate lua în considerare mișcarea protoplasmei , formele lungi și subțiri ale celulelor, vâscozitatea crescută a citoplasmei și o scădere semnificativă a greutății specifice componentelor celulare [7] [8] .
În prezent, din cauza necesității de pregătire pentru zborurile spațiale interplanetare pe termen lung, se studiază efectul imponderabilității asupra sistemului musculo-scheletic, cardiovascular, limfatic și imunitar al vertebratelor și al oamenilor [9] .
Studiul dezvoltării și creșterii celulelor , plantelor și animalelor în absența gravitației este de mare importanță pentru înțelegerea modului în care gravitația afectează activitatea vitală, creșterea și dezvoltarea ființelor vii de pe Pământ. A fi în imponderabilitate a plantelor, animalelor și oamenilor în câteva zile duce la apariția unor modificări structurale și funcționale. Numeroase experimente au arătat că a fi în spațiu implică modificări în metabolismul celular, funcțiile celulelor imune, diviziunea celulară etc. De exemplu, după câteva zile de a fi în microgravitație, unele celule progenitoare ale sistemului imunitar uman au încetat să se diferențieze în celule mature [10]. ] [11] . Cu toate acestea, oamenii de știință cred că schimbările în diferențierea celulelor nu pot fi asociate cu expunerea la microgravitație, ci cu stresul asociat cu zborul în spațiu. Stresul poate altera activitatea metabolică și poate perturba reacțiile biochimice din organism.
„De exemplu, microgravitația împiedică dezvoltarea celulelor osoase. Celulele osoase mor dacă nu sunt conectate între ele sau cu matricea extracelulară. În imponderabilitate, există mai puțină presiune asupra celulelor osoase, astfel încât acestea au mai puține contacte intercelulare și mor mai des. Aceste fapte sugerează că gravitația poate ghida dezvoltarea acestor celule.”
Un alt domeniu de care se ocupă biologia gravitațională este cultivarea celulelor în spațiu, unde anumite condiții și avantaje pentru creșterea țesuturilor sunt create într-un mediu de microgravitație. În laboratoarele de pe Pământ, celulele sunt crescute în vase Petri. Dar într-un organism viu, celulele formează țesuturi cu caracteristici complet diferite. Ele cresc ca straturi tridimensionale de țesut formate din celule specializate și diferențiate. Deoarece celulele sunt crescute în vase Petri sau in vitro, condițiile nu permit diferențierea diferitelor tipuri de celule care alcătuiesc țesutul și sunt în esență inutile în scopuri biomedicale, cum ar fi transplantul de țesut. Pentru a modela un micromediu celular relevant din punct de vedere fiziologic, se folosesc diverse metode de cultură celulară, cum ar fi cultura dinamică [12] .
Cu toate acestea, oamenii de știință au descoperit că, dacă celulele cresc fără influența gravitației Pământului, ele formează o structură care seamănă mai mult cu structurile naturale ale țesuturilor din organism. Experimentele au arătat că microgravitația este mai potrivită pentru cultura celulară și creșterea țesuturilor decât condițiile terestre, ceea ce poate fi de mare importanță pentru tehnologiile biomedicale [9] .
Gravitația joacă un rol crucial în creșterea plantelor, deoarece plantele au proprietatea gravitropismului: capacitatea de a crește într-o anumită direcție în funcție de direcția gravitației. Rădăcinile plantelor tind să aibă gravitropism pozitiv, crescând spre centrul Pământului, în timp ce lăstarii verzi ai plantelor au gravitropism negativ și cresc în direcția opusă vectorului gravitațional.
Cum simt plantele gravitația? Ei sunt capabili să facă acest lucru prin secreția de hormoni. Unul dintre acești hormoni sunt auxinele , care asigură creșterea și alungirea celulelor radiculare. Auxinele sunt sintetizate într-una sau alta parte supraterană a plantei, de unde migrează în jos spre rădăcini, se acumulează sub acțiunea gravitației și stimulează creșterea celulelor radiculare. Hormonii sunt, de asemenea, responsabili pentru creșterea lăstarilor de plante în direcția opusă gravitației.
În spațiul cosmic în microgravitație , semnalele chimice care sunt activate în mod normal de forța gravitațională sunt absente sau cel puțin nu sunt capabile să ofere gravitropism. Plantele care cresc în masă în spațiu au arătat răspunsuri neobișnuite la efectele imponderabilității . S-au observat modificări ale cromozomilor la rădăcinile unor celule vegetale . De asemenea, este interesant că unele plante cresc rădăcini în spațiu mult mai repede decât aceleași plante de pe Pământ.
Oamenii de știință încă nu pot explica pe deplin motivele acestui comportament al plantelor, așa că în prezent sunt în curs de desfășurare numeroase studii. O înțelegere fundamentală a proceselor de creștere și reproducere a plantelor în spațiu este esențială pentru succesul viitor al zborului spațial interplanetar, în care recoltele obținute în spațiu vor fi principala (și poate singura) sursă de hrană pentru echipajul navei spațiale [13]. ] .