TEMA BROJA

Dr Ana Paunović

Gravitaciona biologija

U pravcu ili nasuprot sile teže

Gravitacija je i sila kojom planeta Zemlja privlači i drži sve materijalne stvari (živa bića i predmete) na svojoj površini. Sva materijalna tela poseduju silu gravitacije, ali su te sile daleko manje nego sila Zemljine teže, koja se oseća i na 80.000 km udaljenosti od njene površine. Gravitaciona sila Sunca još je veća, jer Sunce pomoću nje drži na „okupu“ sve planete Sunčevog sistema koje usled ove sile u svom kretanju kruže oko Sunca. Jačina gravitacione sile između dva tela zavisi od mase tih tela i udaljenosti između njih. Od četiri fundamentalne sile interakcije, gravitacija je najslabija. U svemiru, na određenom rastojanju od Zemlje, prestaje delovanje gravitacije. U takvom prostoru tela lebde, tečnosti se raspršuju u kapi jer nema sile koja sve ove supstance drži čvrsto na Zemlji, odnosno na okupu.

Postojanje i pojam gravitacije otkrio je i objasnio veliki engleski fizičar i matematičar Isak Njutn. Smatra se da je Isak Njutn, videvši jabuku kako pada sa drveta, došao na ideju da je Zemlja svojom gravitacionom silom privukla jabuku, baš kao što privlači i Mesec da, kao njen satelit, neprestano kruži oko nje. Na osnovu ovih pretpostavki, Njutn je formulisao zakon univerzalne gravitacije, koji objašnjava i kako Mesečeva sila kretanja u kombinaciji sa delovanjem Zemljine gravitacione sile, uzrokuje da Mesec kruži oko Zemlje, baš kao što sve planete naše galaksije kruže oko Sunca. Što je planeta bliža Suncu, na njoj se jače oseća gravitaciona sila Sunca. On je definisao zakon gravitacije i tri zakona kretanja koji su i danas u upotrebi. Po njemu se jedinica sile gravitacije naziva „njutn“ i obeležava velikim slovom N. Gravitaciona sila Zemlje izražava se u njutnima i iznosi g = 9,81 N/kg. Gravitacija je jedna od četiri osnovne sile i predstavlja silu uzajamnog privlačenja između masa.
Sva tela imaju određenu masu - konstantnu veličinu koja bi bila ista, na primer, na svim planetama – pa bi masa čoveka na Zemlji i masa čoveka na Mesecu trebalo da bude potpuno ista. Međutim, usled različite jačine gravitacije, težina čoveka nije svuda ista - tako čovek koji na Zemlji teži 50 kg, na Mesecu bi težio svega 8,5 kg, zbog višestruko slabije gravitacione sile Meseca.
Gravitaciona biologija je naučna disciplina koja proučava uticaje koje gravitacija ima na žive organizme. Život na Zemlji je neprestano evoluirao kako bi živi svet na njoj preživeo promenljive uslove, kao što su promene klime i karakteristike staništa. Jedini konstantan faktor u evoluciji, sa kojim je život na Zemlji počeo a i danas deluje, jeste - sila gravitacije. Kao posledica dejstva Zemljine gravitacije, svi biološki procesu su navikli na dejstvo prisutne gravitacione sile pa zato i najmanje varijacije u njenoj snazi, pravcu ili smeru delovanja mogu imati značajan uticaj na zdravlje i funkciju organizama.
Naučnici koji proučavaju uticaj gravitacije na žive organizme i njihov život nazivaju se gravitacioni biolozi. Oni nastoje da sa drugim stručnjacima podstaknu razmenu ideja i pristupe osnovnim i primenjenim biološkim istraživanjima uticaja gravitacije na Zemlji i u svemiru. Glavni zadatak gravitacione biologije je da izuči uticaje gravitacije i pokuša da otkrije prirodu odnosa između fizičkih zakona univerzuma i živih bića.

Uticaj gravitacije na rast biljaka

Gravitacija je jedan od faktora životne sredine koji kontrolišu razvoj i rast biljaka. Tropizmi su pokreti rasta utvrđenih biljaka izazvani delovanjem spoljašnjih podsticaja koja imaju određen pravac. Na Zemlji, gravitacija igra presudnu ulogu u rastu biljaka, jer postoji tropizam koji usmereva pokrete biljaka u određenom smeru kao odgovor na na dejstvo stimulusa iz određenog pravca. Kod pojedinih vrsta biljaka tropizam se manifestuje kao geotropizam (drugim imenom i gravitropizam), kod kojeg su pokreti stimulisani dejstvom gravitacije. Korenje se prostire u pravcu gravitacije, ili prema središtu zemlje, suprotno od Sunca, dok cvetovi i stabljike rastu suprotno od sile gravitacije, prema Suncu. Geotropizam je pokret rasta izazvan dejstvom sile gravitacije. Koren biljke raste u smeru Zemljine teže tj. pozitivno geotropno, dok stablo raste u suprotnom speru od smera te teže, odnosno negativno geotropno. Grane i podzemna stabla rastu pod određenim uglom u odnosu na pravac delovanja Zemljine teže i to se naziva transverzalni geotropizam.

Biljke osećaju gravitaciju lučenjem hormona. Određena grupa hormona, ćelijski auksini, odgovorni su za izdužavanje ćelija korena. Auksini se sintetizuju u određenom delu biljke, odakle migriraju sve do korena, gde se akumuliraju pod dejstvom gravitacije i stimulišu rast ćelija korena. Hormoni su na sličan način odgovorni i za rast lastara biljaka u suprotnom smeru od gravitacije.

U svemiru, u uslovima mikrogravitacije, hemijski signali koji se obično aktiviraju gravitacijom - izostaju; ili bar ne deluju u određenom pravcu. Brojne biljke rastu u svemiru, a neke su dale neobične odgovore na dejstvo nulte gravitacije. U ćelijama korena nekih biljka primećeno je prisustvo promene u hromozomima. Zanimljivo je i da je rast korena nekih biljaka u svemiru značajno brži nego kod istih tih biljkaka na Zemlji.

Naučnici još uvek ne mogu da objasne razloge ovakvog ponašanja biljaka. Razumevanje procesa rasta i reprodukcije biljaka u svemiru od suštinskog je značaja za dalji uspeh budućih međuplanetarnih svemirskih misija, u kojima će rast useva biti možda jedini izvor hrane za posadu svemirskih letelica.

Životinje i  gravitacija

Gravitacija je imala uticaj na razvoj životinjskog sveta od prvog jednoćelijskog organizma sve do današnjih dana. Veličina nekih bioloških ćelija je obrnuto proporcionalna intenzitetu gravitacionog polja koje deluje na ćeliju. Zato se u najjačem gravitacionom polju veličina ćelija smanjuje, a u slabom gravitacionom polju povećava. Gravitacija u takvim slučajevima postaje ograničavajući faktor rasta pojedinih ćelija.
Ćelije koje su prirodno veće nego što je to uobičajeno razvile su metode unutrašnje zaštite svojih struktura. Neka od tih metoda zasnivaju se na; pokretima protoplazme, povećanoj viskoznosti citoplazme, velikom smanjenje specifične težine komponenata ćelija u odnosu na stanje kada su na zemlji. Efekti gravitacije u mnogih jednoćelijskih organizama su još veći. U periodu kada je evoluirala neka životinjska vrsta, da bi opstala na zemlji kroz neki oblik uspravnog kretanja, morala je da poseduje spoljašnji ili unutrašnji skelet, neophodan da se, uz pomoć njega, vrsta izbori sa povećanom težinom sopstvenog tela, izazvanom silom gravitacije. Pre nego što se u evoluciji životinja ovo desilo, većina životnih oblika bili su male veličine, nalik crvima ili meduzama. Bez ovog iskoraka u evoluciji, živa bića na Zemlji ne bi bila u stanju da održe oblik i da se kreću po njenoj površini. U širem smislu, gravitaciona sila u organizmu zemaljskih kičmenjake utiče i na njihov mišićni sistem, sistem za ravnotežu, sistem cirkulacije i distribucije tečnosti i unutrašnju dinamiku kretanja materija.

Bestežinsko stanje i funkcionalne promene

Ljudske, biljne i životinjske ćelije, izložene bestežinskom okruženju, posle samo nekoliko dana pokazuju strukturne i funkcionalne promene. Brojni eksperimenti pokazali su da promene u ćelijskom metabolizmu, funkcijama imunih ćelija, deobi ćelija... nastaju u svim ćelijama za vreme boravka živih bića u svemiru. Na primer, posle nekoliko dana boravka u uslovima mikrogravitacije, ćelije ljudskog imunog sistema nisu uspele da se diferenciraju u zrele ćelije.
Naučnici smatraju da je stres tokom svemirskih letova odgovoran za nemogućnost raspoznavanja određenih ćelija. Stres može da izmeni metaboličku aktivnosti, poremeti hemijske procesa i izazove promene u organizmu, pa čak i u samo jednoj ćeliji. Na primer, mikrogravitacija ometa razvoj koštanih ćelija. Koštane ćelije umiru ako ne mogu da se prikače uz nešto. Bez gravitacije ne postoji silazni pritisak na koštane ćelije tako da one gotovo plutaju i na kraju propadaju.

“Povraćajuće komete”

Do sada nije otkrivena tehnologija koja može da neutralište silu gravitacije. Najbolji način da se oponaša bestežinsko stanje na Zemlji je biti u avionu koji se kreće putanjom parabole. Takvi avioni su nazvani „povraćajuće kometе“ (vomit comet) zbog osećaja mučnine kojeg izazivaju. U njima se putnicima omogućava da plutaju u bestežinskom stanju nekoliko minuta dok je avion u slobodnom padu, odnosno kada se kreće ka dole.
Na Međunarodnoj svemirskoj stanici vršeni su brojni eksperimenti u uslovima bestežinskog stanja, uključujući i ispitivanje šta se dešava sa virusima u tom stanju (postaju lakše prenosivi), šta sa kristalima (dobijaju mnogo veće proporcije), kakav uticaj to stanje ima na čovekovo telo (smanjuje gustinu kostiju i utiče na vid). Postoji i antigravitacijska komora na Zemlji, ali u njima se samo simuliraju uslovi kakvi postoje u bestežinskom stanju.

Fiziologija u odsustvu gravitacije

U protekle tri decenije, istraživači su proučili kako mikrogravitacija utiče na određene vrste ćelija i telesnih sistema.

Mozak: odsustvo gravitacije dovodi do pojačanog zadržavanja krvi u gornjem delu tela i time povećanog pritiska u mozgu. Najnovija istraživanja pokazuju da ovaj povišeni pritisak smanjuje oslobađanje neurotransmitera, ključnih molekula koje ćelije mozga koriste za komunikaciju. Ovaj nalaz je motivisao studije o uobičajenim kognitivnim problemima, kao što su teškoće u učenju astronauta koji su boravili u svemiru.

Kosti i mišići: odsustvo sile gravitacije prouzrokuje promene u kostima i kod astronauta koji podležu strogim režimima vežbanja. Naučnici koriste napredak u proučavanje sekvence DNK i proučavanje proteina da bi identifikovali kako da se metabolizam koštanih ćelija reguliše gravitacijom. U nedostatku gravitacije, naučnici su otkrili da je tip ćelija zadužen za stvaranje kostiju potisnut. Istovremeno se aktivira vrsta ćelija odgovornih za razgradnju kostiju. To zajedno dovodi do ubrzanog slabljenja kostiju.

Imunitet: svemirski brodovi su podvrgnuti strogoj sterilizaciji. Ipak, tokom leta svemirskog broda “apolo 13”, jedan od astronauta zaražen je patogenom Pseudomonas aeruginosa. Ova epizoda pokrenula je pitanje: kako se imuni sistem prilagođava prostoru? Upoređujući uzorke krvi astronauta pre i posle svemirskih misija, istraživači su otkrili da nedostatak gravitacije slabi funkcije T-ćelija. Ove specijalizovane ćelije odgovorne su za borbu protiv niza bolesti, od prehlade do sepse.
Trenutno najbolji metod za prevazilaženje odsustva gravitacije je povećati opterećenje ćelija vežbanjem. Astronauti tokom letova provode najmanje dva sata dnevno trčeći i dižući tegove u cilju očuvanja mase kostiju i mišića. Ipak, te vežbe mogu samo da uspore pogoršanje zdravlja astronauta, a ne i da ga spreče.
Dodavanje suplemenata je takođe metoda koja se istražuje. Naučnici su uspeli da identifikuju specifične ćelijsko-hemijske interakcije na koje gravitacija utiče. Danas se zna da gravitacija utiče na ključne molekule koje kontrolišu ćelijske procese poput rasta, podele i migracije. U NASA-i već dugo ispituju da li dodavanje u “svemirsku hranu” probiotika za jačanje probavnog i imunološkog sistema astronauta može pomoći u suzbijanju negativnih efekata mikrogravitacije.

Dr Ana Paunović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"