Zwaartekracht beïnvloedt mogelijk alle biologische processen op aarde, hoewel dit misschien moeilijk te geloven is terwijl we vliegen over onze plafonds zien rondlopen alsof zwaartekracht er helemaal niet toe deed. Natuurlijk is zwaartekracht slechts één factor, en andere factoren zoals hechting of drijfvermogen bepalen bijvoorbeeld of een organisme van het plafond valt, of hoe lang het duurt voordat een organisme zich op de grond nestelt.
We weten al lang dat mensen schade ondervinden door lange periodes in omgevingen met weinig zwaartekracht. Astronauten keren terug uit de ruimte met spieratrofie en verminderde botmassa. Deze effecten lijken na verloop van tijd erger te worden, dus het begrijpen van de effecten van zwaartekracht op de menselijke fysiologie is essentieel bij het plannen van ruimtevluchten over lange afstand. Het bestuderen van de effecten van lage zwaartekracht in ruimtevaartuigen en ruimtestations is duur. Iedereen die tijd in een laboratorium heeft gewerkt, weet dat veel experimenten meerdere keren moeten worden overgedaan om de procedures goed te laten werken. Als een belangrijke stap bij het uitvoeren van een experiment met bijvoorbeeld de reactie van cellen op een gebrek aan zwaartekracht, is: "schiet het experiment in de ruimte en houd het daar twee maanden", dan duurt het heel lang en veel geld om resultaten te krijgen moet je misschien de biologie van lage zwaartekracht begrijpen. Daarom zou het fijn zijn om een anti-zwaartekrachtmachine in onze aardgebonden laboratoria te hebben om experimenten uit te voeren zonder de kosten en planningsbeperkingen opgelegd door ruimtevaart.
Er is een manier om gewichtloosheid op kleine schaal in het laboratorium te simuleren. Een team van onderzoekers van verschillende Europese instellingen hebben magnetisme gebruikt om de effecten van zwaartekracht op cellulair niveau te compenseren. De methode wordt diamagnetische levitatie genoemd. (Een andere methode voor het simuleren van anti-zwaartekracht maakt gebruik van een "Random Positioning Machine" (RPM).) Sommige materialen - diamagnetische materialen - worden afgestoten door een magnetisch veld. Water en de meeste biologische weefsels vallen in deze categorie. Een zeer krachtig magnetisch veld kan op deze weefsels worden toegepast om de effecten van de zwaartekracht te compenseren, dus moleculen die bewegen en hun ding in cellen doen, doen alsof er geen zwaartekracht op hen inwerkt. Volgens een recente studie blijkt dat genexpressie wordt beïnvloed door zwaartekracht. (Het artikel is gepubliceerd in BMC Genomics en is hier beschikbaar.)
De magneet die in dit experiment wordt gebruikt, produceert een veld met een kracht van 11, 5 Tesla (T). Het magnetische veld van de aarde is gelijk aan ongeveer 31 micro Teslas. De magneet die uw boodschappenlijstje aan uw koelkast vasthoudt is ongeveer 0, 005 Tesla, de magneten in een luidspreker zijn ongeveer 1 tot 2 Tesla sterk en de magnetische kracht van een MRI of vergelijkbaar apparaat, voor medische beeldvorming, is meestal ongeveer 3 Tesla of minder. Als u een magneet van 11, 5 Teslas op uw koelkast zou bevestigen, zou u deze niet kunnen wrikken.
In dit experiment werd de magneet gebruikt om fruitvliegjes gedurende 22 dagen te "leviteren" terwijl ze zich ontwikkelden van embryo's tot larven tot poppen en uiteindelijk tot volwassenen. De vliegen werden op een bepaalde afstand boven de magneet gehouden, waar het netto afstotende effect van de magneet op het water en andere moleculen gelijk was aan en tegengesteld aan de effecten van de zwaartekracht. Andere vliegen werden op dezelfde afstand onder de magneet geplaatst, waar ze het equivalent van het dubbele van de zwaartekracht van de aarde ervoeren.
De studie onderzocht hoe de expressie van genen verschilde, afhankelijk van het gesimuleerde zwaartekrachtveld en in een sterk magnetisch veld dat geen verandering in zwaartekracht simuleerde. Verdubbeling van de zwaartekracht van de aarde veranderde de expressie van 44 genen, en het elimineren van de zwaartekracht veranderde de expressie van meer dan 200 genen. Iets minder dan 500 genen werden alleen door het magnetische veld beïnvloed, waarbij de expressie van de genen ofwel werd verhoogd ofwel verlaagd. De onderzoekers waren in staat om de effecten van magnetisme af te trekken van de effecten van verhoogde of verminderde zwaartekracht en zo te isoleren welke genen het meest gevoelig leken voor veranderingen in zwaartekracht alleen. Volgens de onderzoekers: “Zowel het magnetisch veld als de veranderde zwaartekracht had een effect op genregulatie voor de vliegen. De resultaten hiervan kunnen worden gezien in vlieggedrag en in succesvolle reproductiesnelheden. Het magnetische veld alleen was in staat om het aantal volwassen vliegen van een partij eieren met 60% te verstoren. De gezamenlijke inspanning van veranderde zwaartekracht en de magneet had echter een veel opvallender effect, waardoor de levensvatbaarheid van het ei tot minder dan 5% werd verminderd. ”
De meest aangetaste genen waren die betrokken bij het metabolisme, de reactie van het immuunsysteem op schimmels en bacteriën, hitte-responsgenen en celsignaleringsgenen. Dit geeft aan dat de effecten van zwaartekracht op het ontwikkelingsproces bij dieren ingrijpend zijn.
De belangrijkste uitkomst van dit onderzoek is waarschijnlijk het proof of concept: het toont aan dat deze techniek kan worden gebruikt om de effecten van lage zwaartekracht op biologische processen te bestuderen. We kunnen meer verfijnde resultaten verwachten die ons informeren over specifieke processen die worden gewijzigd door de zwaartekracht, en mogelijk manieren ontwikkelen om die effecten voor mensen of andere organismen op ruimtevluchten over lange afstand te compenseren. Uiteindelijk kunnen we een fruitvlieg naar Mars sturen en deze veilig teruggeven.
Herranz, R., Larkin, O., Dijkstra, C., Hill, R., Anthony, P., Davey, M., Eaves, L., van Loon, J., Medina, F., & Marco, R . (2012). Microzwaartekrachtsimulatie door diamagnetische levitatie: effecten van een sterk gradiënt magnetisch veld op het transcriptionele profiel van Drosophila melanogaster BMC Genomics, 13 (1) DOI: 10.1186 / 1471-2164-13-52
