Gravitationsbiologi är en vetenskaplig disciplin som studerar gravitationens inverkan på levande organismer. Under hela livets historia på jorden har organismer utvecklats under påverkan av varierande faktorer som förändringar i klimat och livsmiljöer [1] . Men gravitationen, i motsats till klimatet och livsmiljön, är en ständigt verkande på jorden, oförändrad i dess egenskaper (orientering och intensitet), en faktor. Tyngdkraften bidrar dock till evolutionen av alla levande organismer på samma sätt som tidsvarierande faktorer gör. Den evolutionära utvecklingen av levande organismer ägde rum under förhållanden av konstant kamp med gravitationen, vilket ledde till uppkomsten av kompensatoriska mekanismer (till exempel utvecklingen av skelettet hos djur och mekaniska vävnader i växter), som perfekt utför sina funktioner under markförhållanden. . Uppenbarligen har frånvaron eller kraftig minskning av gravitationen ( mikrogravitation ), såväl som dess ökning jämfört med jordens nivå ( hypergravity ) en djupgående effekt på de flesta jordlevande organismer [2] [3] .
Forskare som studerar gravitationens inverkan på levande organismer och deras liv kallas gravitationsbiologer. Gravitationsbiologer försöker underlätta utbyte av idéer med olika grupper av vetenskapsmän och ingenjörer , vilket möjliggör utvecklingen av nya tillämpade och grundläggande metoder för biologisk forskning inom gravitationsvetenskap, både på jorden och i rymden [4] .
Tyngdkraften är en av de fyra grundläggande krafterna som verkar i naturen. Tyngdkraften är attraktionskraften mellan materiella kroppar av alla storlekar - från atomer i människors kroppar till stjärnor i universum . Jordens gravitation är den kraft med vilken planeten Jorden attraherar och håller alla materiella föremål på sin yta. Alla materiella föremål har sin egen gravitationsattraktion, proportionell mot massan av dessa föremål, så attraktionskraften hos små föremål är mycket mindre än jordens gravitationskraft, som verkar på ett avstånd av 80 000 kilometer från jorden. Tyngdkraften på jordens yta är konstant i storlek och riktning: -{g}- = 9,81 -{m/s2}- .
Det finns många frågor relaterade till effekten av jordens gravitation på levande organismer. Gravitationsbiologistudier, i synnerhet, följande frågor:
Med början av eran av rymdflygningar stod mänskligheten inför behovet av att säkerställa ett normalt liv och effektivitet i mänskligt arbete under viktlösa förhållanden. Utöver de praktiska problem som är förknippade med att lösa detta problem löser gravitationsbiologi ett antal grundläggande frågor inom områdena människans, djurs och växternas fysiologi, cellsignalering och celldifferentiering samt embryologi . I de flesta fall har tyngdlöshet negativa effekter på flercelliga levande organismers utveckling och funktion, men man har även funnit en positiv effekt av tyngdlöshet på levande varelser [5] .
Tyngdkraften har påverkat utvecklingen av djurlivet sedan den första encelliga organismen uppträdde. Storleken på individuella biologiska celler är omvänt proportionell mot intensiteten hos gravitationsfältet som verkar på cellen. Under förhållanden med hypergravitation kommer storleken på cellerna att vara mindre än under förhållandena för jordens gravitationsfält, och under förhållanden av viktlöshet kommer cellerna att nå större storlekar. Således är gravitationen den begränsande faktorn i tillväxten av enskilda celler [6] .
Emellertid kan celler delvis övervinna de begränsningar som gravitationen ålägger, på grund av vissa intracellulära strukturer, i synnerhet cytoskelettet, vilket gör det möjligt för celler att behålla sin form under villkoren för jordens gravitation. Som en anpassning av celler till jordens gravitation kan man också betrakta protoplasmas rörelse , långa och tunna former av celler, ökad viskositet i cytoplasman och en signifikant minskning av cellkomponenternas specifika vikt [7] [8] .
För närvarande, på grund av behovet av att förbereda sig för långvariga interplanetära rymdflygningar, studeras effekten av tyngdlöshet på muskuloskeletala, kardiovaskulära, lymfatiska och immunsystem hos ryggradsdjur och människor [9] .
Studiet av utveckling och tillväxt av celler , växter och djur i frånvaro av gravitation är av stor betydelse för att förstå hur gravitationen påverkar den vitala aktiviteten, tillväxten och utvecklingen av levande varelser på jorden. Att vara i viktlöshet hos växter, djur och människor på några dagar leder till uppkomsten av strukturella och funktionella förändringar. Flera experiment har visat att att vistas i rymden medför förändringar i cellulär metabolism, immuncellsfunktioner, celldelning etc. Till exempel, efter flera dagars mikrogravitation, upphörde vissa stamceller från det mänskliga immunsystemet att differentiera till mogna celler [10 ] [11] . Forskare tror dock att förändringar i celldifferentiering kanske inte är förknippade med exponering för mikrogravitation, utan med stressen i samband med rymdflygning. Stress kan förändra metabolisk aktivitet och störa biokemiska reaktioner i kroppen.
"Till exempel hindrar mikrogravitation utvecklingen av benceller. Benceller dör om de inte är kopplade till varandra eller till den extracellulära matrisen. Vid tyngdlöshet är det mindre tryck på bencellerna, så de har färre intercellulära kontakter och dör oftare. Dessa fakta tyder på att gravitationen kan styra utvecklingen av dessa celler."
Ett annat område som gravitationsbiologin sysslar med är odling av celler i rymden, där vissa förutsättningar och fördelar för vävnadstillväxt skapas i en mikrogravitationsmiljö. I laboratorier på jorden odlas celler i petriskålar. Men i en levande organism bildar celler vävnader med helt olika egenskaper. De växer som tredimensionella lager av vävnad som består av specialiserade och differentierade celler. Eftersom cellerna odlas i petriskålar eller in vitro tillåter förhållandena inte differentiering av de olika typerna av celler som utgör vävnaden, och de är i princip värdelösa för biomedicinska ändamål som vävnadstransplantation. För att modellera en fysiologiskt relevant cellulär mikromiljö används olika cellodlingsmetoder, såsom dynamisk odling [12] .
Men forskare har funnit att om celler växer utan påverkan av jordens gravitation, bildar de en struktur som mer liknar de naturliga vävnadsstrukturerna i kroppen. Experiment har visat att mikrogravitation är mer lämpad för cellodling och vävnadstillväxt än terrestra förhållanden, vilket kan vara av stor betydelse för biomedicinsk teknik [9] .
Tyngdkraften spelar en avgörande roll i växternas tillväxt eftersom växter har egenskapen gravitropism: förmågan att växa i en viss riktning beroende på tyngdkraftens riktning. Växtrötter tenderar att ha positiv gravitropism, som växer mot jordens centrum, medan gröna skott av växter har negativ gravitropism och växer i motsatt riktning till gravitationsvektorn.
Hur känner växter gravitationen? De kan göra detta genom utsöndring av hormoner. Ett av dessa hormoner är auxiner , som säkerställer tillväxt och förlängning av rotceller. Auxiner syntetiseras i en eller annan ovanjordisk del av växten, varifrån de vandrar ner till rötterna, ackumuleras under inverkan av gravitationen och stimulerar tillväxten av rotceller. Hormoner är också ansvariga för tillväxten av växtskott i motsatt riktning till gravitationen.
I yttre rymden i mikrogravitation saknas de kemiska signaler som normalt aktiveras av tyngdkraften, eller åtminstone inte kan ge gravitropism. Massodling av växter i rymden har visat ovanliga reaktioner på effekterna av viktlöshet . Förändringar i kromosomerna observerades i vissa växtcellers rötter . Det är också intressant att vissa växter växer rötter i rymden mycket snabbare än samma växter på jorden.
Forskare kan fortfarande inte helt förklara orsakerna till detta beteende hos växter, så många studier genomförs för närvarande. En grundläggande förståelse för processerna för hur växter växer och förökar sig i rymden är avgörande för den framtida framgången för interplanetära rymdfärder, där grödor som erhålls i rymden kommer att vara den huvudsakliga (och kanske enda) källan till mat för rymdfarkostens besättning [13 ] .