Abstrakt

Highlights aus der Schwerkraftforschung

Scarlett H

Unser ganzes Leben lang werden wir von einer Kraft nach unten gezogen. Sie folgt uns überall hin: in die Berge, unter der Erde in Höhlen, auf die Straße, in den Bus und ins Flugzeug. Sie kann nicht auf dieselbe Weise geschützt werden wie elektrische und magnetische Felder. Sie ist anders als Elektrizität, die man nicht an- oder abschalten kann. Diese Kraft ist die Schwerkraft. Die Ursache der Schwerkraft ist laut Isaac Newton die Masse. Jeder Körper mit Masse zieht andere Körper mit Masse an [1]. Die Anziehungskraft hängt mit dem Produkt der Massen zusammen und ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen den Körpern. Das Newtonsche Gravitationsgesetz ist nützlich, um Planetenumlaufbahnen zu berechnen und im täglichen Leben. „Mikrogravitation“ ist keine Wissenschaft, wie manche annehmen, sondern eine spezielle Umgebung, in der häufig Wissenschaft betrieben wird. Der Hauptgrund dafür, Grundlagenforschung unter solcher Mikrogravitation, im freien Fall oder unter Bedingungen nahezu jeder Schwerelosigkeit durchzuführen, ist tatsächlich, dass die Last weit von der Masse entfernt ist. Dies führt zu weniger mechanischer Spannung innerhalb eines Systems, weniger oder fast keiner Konvektion, reduzierten Druckunterschieden innerhalb eines Systems usw. In einer solchen Umgebung kann man auch Phänomene beobachten, die sonst bei Untersuchung im Feld verdeckt oder verwischt bleiben, wie thermokapillare Bénard-Marangoni-Konvektion oder von der Oberflächenspannung dominierte Gibbs-Marangoni-Konvektion, Kapillarströmungen, Verbindungsphänomene und viele weitere damit zusammenhängende Themen in den Physik- und Ingenieurwissenschaften. Zu den Untersuchungsgegenständen gehören Kolloide, Emulsionen, Schäume, Flüssigkristalle, staubige Plasmen, Flammen/Verbrennungen oder körniges Material und auch die Elementarteilchenphysik, z. B. Bose-Einstein-Kondensate, oder eher Massenprozesse, wie die Erstarrung von Legierungen. Albert Einstein war der Meinung, dass dies nicht der Fall sei. Die Schwerkraft passte als Kraft nicht in seine Relativitätstheorie. Daher nahm er an, dass die Schwerkraft eher eine Krümmung des Raums als eine Kraft sei. Krümmung wird durch Masse verursacht. Umfangreiche Studien zur Lichtkrümmung in der Nähe der Sonne haben gezeigt, dass der Weltraum tatsächlich gekrümmt ist. Dennoch erfahren wir täglich die Schwerkraft, die wir beim Anheben großer Objekte bekämpfen müssen. Die Krümmung des Weltraums ist uns nicht bewusst. Wir haben sowohl die Betriebswissenschaften, in denen wir uns mit der Mikrogravitationsumgebung auseinandersetzen müssen, als auch die Grundlagenwissenschaften, in denen wir die Mikrogravitationsumgebung nutzen. In den Betriebswissenschaften, auch als angewandte Wissenschaften bekannt, muss man Methoden für die Bereiche Physik und Biowissenschaften entwickeln und anwenden, die das Leben in einer solchen Umgebung erleichtern. Beispielsweise müssen alle Fluid- und Zweiphasensysteme ohne den Sedimentationseffekt der Schwerkraft in allen Arten von flüssigkeitsgefüllten Systemen in Raumstationen sowie in Treibstofftanks für andere Satelliten funktionieren [2]. Darüber hinaus müssen Menschen darauf vorbereitet sein, in Zukunft in einem frei fallenden System zu arbeiten. Wenn es jedoch um die menschliche Gesundheit geht, wirft Letzteres große Probleme auf. Viele sogenannte „Gegenmaßnahmen“ wurden entwickelt, um zu verhindern, dass die menschliche Physiologie in einen solchen Zustand gerät.Störungen wie Osteoporose und Sarkopenie, kardiovaskulärer Abbau, beeinträchtigte kognitive Leistungsfähigkeit, Spaceflight Associated Neuro-ocular Syndrome (SANS), reduzierte Immunsensitivität, Nierensteine, Verlust von Schlafqualität und -dauer, Schmerzen im unteren Rücken, Gleichgewichts- und Koordinationsprobleme nach dem Flug sowie orthostatische Intoleranz oder Wirbelsäulenkompression mit Bandscheibenschäden treten bei Kosmonauten, Astronauten und Taikonauten auf. Manche fragen sich vielleicht, ob der derzeitige Mangel an geeigneten Mikrogravitationstherapien mit ethischen Arbeits- und Rechtsstandards vereinbar ist. Diese neue Zeitschrift würde auch Manuskripte über die Entwicklung und Erprobung von Instrumenten zur Milderung oder vollständigen „Genesung“ von chronischer Mikrogravitation und Schwerkraftübergängen entgegennehmen können. Neben beispielsweise Geräten für High-Impact-Training oder Unterkörper-Unterdruck (LBNP) würden wir den Einsatz von Zentrifugen untersuchen, um tatsächlich künstliche Schwerkraft während des Fluges zu erzeugen. Kurzarmsysteme sind die offensichtlichsten, obwohl solche Systeme einen steilen Körpergradienten der Schwerkraft erzeugen und nicht alle Organe einem ausreichenden Schwerkraftniveau ausgesetzt werden können. Man kann auch die Rotation des gesamten Raumfahrzeugs ausprobieren. In solchen Systemen ist die Schwerkraft gleichmäßiger verteilt, und die Objekte sind daher wie auf der Erde dauerhaft der künstlichen Schwerkraft ausgesetzt. Solche Systeme erfordern jedoch Kenntnisse über die Rotation über lange Zeiträume sowohl für Menschen als auch für die Technik. Bodengestützte Einrichtungen könnten solche flugbezogenen Fragen gleichzeitig behandeln, wenn sie sich mit der Nutzung von Systemen für die Gesundheitsfürsorge (z. B. Alterung und Fettleibigkeit) und sportbezogene Anwendungen befassen. Die Auswirkungen der Schwerkraft auf kleine Systeme mit geringer Masse bleiben rätselhaft. Vor fast einem halben Jahrhundert veröffentlichte Pollard eine Arbeit, in der er darauf hinwies, dass aus biophysikalischer Sicht keine großen Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf der Ebene einer einzelnen Zelle zu erwarten sind. Mögliche „Gravisensoren“ in einer nicht spezialisierten Zelle könnten die Mitochondrien oder der Nukleolus sein. Später veröffentlichten Todd (1989) und Albrecht-Buehler (1991) interessante Arbeiten, die noch immer sehr relevant sind. Sie befassten sich mit einer Reihe von Kräften, die auf zellulärer Ebene im kleinen Maßstab wirken, und verglichen sie mit der Schwerkraft auf dieser Mikroebene [3]. Obwohl es also zahlreiche Experimente im Weltraum und auf der Erde gibt, die die Wirkung der Schwerkraft oder deren Fehlen auf Zellen zeigen, muss der spezielle Sensormechanismus in nicht spezialisierten Zellen noch beschrieben werden. In einer in vitro-Modell-Einzelzelle mit einem Durchmesser von 10 μm beträgt die Gravitationsenergie eines klaren Gewichts von 0,5 pN in einem mittleren Abstand des Radius (5 μm) über dem Bodenpunkt der Zelle ~500 kT, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist. Dies sind kleine Kräfte und Energien im Vergleich zu anderen intra- und extrazellulären Kräften. Instrumente wie Femtosekundenlaser, Mikroskope mit verbesserten Bildgebungsverfahren wie FLIM oder FRET,Rasterkraftmikroskope, optische Pinzetten oder Mikroaspirationstechniken, insbesondere bei nicht spezialisierten Zellen, könnten bei der Suche nach einem Schwerkraftmechanosensor eine bedeutende Rolle spielen. Systeme wie FLUMIAS, das Sunshine Microscopy Module oder das an das JAXA-Mikroskop angepasste Plattenlesegerät oder Äquivalente, die hinsichtlich molekularer Konformationsänderungen oder Wechselwirkungen recht aufschlussreich sein könnten, z. B. mit Plattenlesegeräten oder dem Nano Racks-Plattenlesegerät, Mikro-NMR-Systemen oder spezifischen In-vivo-Sonden, die biophysikalische Eigenschaften in Molekülen basierend auf ihrer extramolekularen Umgebung widerspiegeln. Es werden zahlreiche Studien durchgeführt, um die Auswirkungen von Gewicht oder nahezu Schwerelosigkeit auf Zellen zu untersuchen. Diese Studien konzentrieren sich, teilweise vorangetrieben durch moderne Techniken, auf die genetischen Auswirkungen, obwohl sich dies immer mehr in Richtung Proteomik/Metabolomik und damit der tatsächlichen Physiologie bewegt, während es möglich ist, dass angepasste Phänotypen oder manchmal pathologische Veränderungen festgestellt werden. Einige dieser Erkenntnisse liegen im Bereich der Mechanotransduktion und Mechanoadaption, wobei die größte Herausforderung in diesem Bereich darin besteht, einen Gravisensor zu finden (falls es so etwas gibt). Die meisten der aus der Forschung zur veränderten Schwerkraft in der Zellbiologie berichteten Effekte müssen irgendwann mit einer mechanischen, konformationellen oder Frequenzänderung im System beginnen. Es ist dieser Gravi- oder Mechanosensor, der identifiziert werden muss. Dazu sind fortgeschrittenere Möglichkeiten und Technologien für die Flugforschung erforderlich, analog zu dem, was im Bereich der Biomechanik verwendet wird, insbesondere in der molekularen, zellulären und Gewebebiomechanik, aber auch auf Organ- und Organismusebene.mit einer mechanischen, konformationellen oder Frequenzänderung innerhalb des Systems. Es ist dieser Gravi- oder Mechanosensor, der identifiziert werden muss. Hierzu sind fortgeschrittenere Möglichkeiten und Technologien für die Flugforschung erforderlich, analog zu dem, was im Bereich der Biomechanik genutzt wird, insbesondere in der molekularen, zellulären und Gewebebiomechanik, aber auch auf Organ- und Organismusebene.mit einer mechanischen, konformationellen oder Frequenzänderung innerhalb des Systems. Es ist dieser Gravi- oder Mechanosensor, der identifiziert werden muss. Hierzu sind fortgeschrittenere Möglichkeiten und Technologien für die Flugforschung erforderlich, analog zu dem, was im Bereich der Biomechanik genutzt wird, insbesondere in der molekularen, zellulären und Gewebebiomechanik, aber auch auf Organ- und Organismusebene.