Künstliche Schwerkraft bietet einen teilweisen Schutz für die Biologie im Weltraum

Raumfahrt zum Mond, Mars und darüber hinaus kann Astronauten extremen Bedingungen aussetzen, die potenzielle Gesundheitsprobleme verursachen können. Um sich auf zukünftige Langzeitmissionen vorzubereiten, untersucht die NASA, wie sich die Auswirkungen des Weltraums – Änderungen der Schwerkraft, Strahlung und mehr – auf „Modellorganismen“ oder andere Arten von Leben auswirken, die dem Menschen biologisch ähnlich sind. Neue Erkenntnisse aus einer Studie mit Fruchtfliegen auf der Internationalen Raumstation legen nahe, dass die Raumfahrt Auswirkungen auf das zentrale Nervensystem hat, aber dass die künstliche Schwerkraft einen teilweisen Schutz vor diesen Veränderungen bietet.

„Mikrogravitation birgt Risiken für das zentrale Nervensystem, was darauf hindeutet, dass Gegenmaßnahmen für Langzeit-Raumfahrten erforderlich sein könnten“, sagte Dr. Janani Iyer, Projektwissenschaftler der Universities Space Research Association (USRA) am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley und ein Autor des heute veröffentlichten Papiers in Zellberichte. „Während wir uns zurück zum Mond und weiter zum Mars wagen, wird die Verringerung der schädlichen Auswirkungen der Mikrogravitation der Schlüssel zur Sicherheit zukünftiger Entdecker sein. Diese Studie ist ein Schritt in die richtige Richtung, um die schützenden Auswirkungen der künstlichen Schwerkraft im Weltraum zu erforschen und zu verstehen die Anpassung an die Erdbedingungen nach der Rückkehr aus dem All.“

Fruchtfliegen sind aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Menschen der ideale Organismus für diese Art von Forschung. Es gibt eine erhebliche Überschneidung zwischen den zellulären und molekularen Prozessen von Fliegen und Menschen. Fast 75 % der Gene, die beim Menschen Krankheiten verursachen, werden von Fruchtfliegen geteilt, was bedeutet, je mehr wir über Fruchtfliegen erfahren, desto mehr müssen Informationswissenschaftler untersuchen, wie sich die Weltraumumgebung auf die menschliche Gesundheit auswirken kann. Fliegen haben auch eine viel kürzere Lebensdauer – etwa zwei Monate und vermehren sich in zwei Wochen. Die drei Wochen, die die Fliegen im Weltraum verbringen, entsprechen etwa drei Jahrzehnten eines Menschenlebens, wodurch Wissenschaftler in kürzerer Zeit mehr biologische Informationen erhalten.

Den Ernst der Lage verstehen

In dieser Studie schickten Wissenschaftler Fliegen auf einer einmonatigen Mission in einer neu entwickelten Hardware namens Multi-Use Variable-Gravity Platform (MVP) zur Raumstation, die in der Lage ist, Fliegen mit unterschiedlichen Schwerkraftniveaus zu beherbergen. Die Fliegen in dieser Hardware hatten Zugang zu frischer Nahrung, während sie lebten und sich fortpflanzten. Durch die Verwendung unterschiedlicher Fächer ermöglichte das MVP die Trennung verschiedener Fliegengenerationen. Auf der Raumstation erlebte eine Gruppe von Fruchtfliegen die Mikrogravitation ähnlich wie ihre menschlichen Gegenstücke. Eine andere Gruppe wurde künstlicher Schwerkraft ausgesetzt, indem sie die Schwerkraft der Erde auf der Raumstation mit einer Zentrifuge simulierte – einem Instrument, das sich dreht, um die Schwerkraft zu simulieren. Auf der Raumstation zeichneten Kameras in der Hardware das Verhalten dieser „Flyonauten“ auf. Zu verschiedenen Zeitpunkten wurden einige der Fliegen eingefroren und zur Erde zurückgebracht, um ihre Genexpression zu untersuchen.

Nachdem die Fliegen an Bord einer SpaceX Dragon-Kapsel, die im Pazifischen Ozean landete, zur Erde zurückgekehrt waren, wurden die Fliegen zur weiteren Analyse nach Ames zurückgebracht. Nach der Ankunft arbeiteten die Wissenschaftler von Ames zwei Tage lang rund um die Uhr, um die Fliegen zu sortieren und Verhaltens- und biochemische Tests durchzuführen. Dieselben Analysen wurden an einer Reihe von Fliegen durchgeführt, die als Kontrollexperiment auf der Erde gehalten wurden, um eine Basislinie für den Vergleich der Daten der „Flyonauten“ bereitzustellen.

Diese Studie war eine der ersten ihrer Art, die einen integrierten Ansatz dafür verfolgte, wie sich die Weltraumumgebung auf das Nervensystem auswirkt. Wissenschaftler untersuchten das Verhalten von Fliegen, indem sie die Bewegung von Fliegen beobachteten, während sie sich in ihrem Lebensraum bewegten, Veränderungen auf zellulärer Ebene im Fliegengehirn, wie sich Modifikationen der Genexpression auf das Nervensystem auswirken und vieles mehr. Beobachtete Veränderungen traten in vielen Formen auf, einige waren einfach durch einen Blick auf die Kameras in den Abteilen des MVP zu erkennen, andere erforderten weitere Studien zur Rückkehr zur Erde. Die untersuchten Verhaltensweisen umfassten die Fliegenaktivität während des Fluges und die Kletterfähigkeit bei der Rückkehr zur Erde. Fliegen haben eine natürliche Reaktion darauf, ihren Behälter hochzuklettern, wenn sie nach unten geklopft werden, und dies wurde als Test ihrer Fähigkeiten nach dem Flug verwendet. Fliegen in Schwerelosigkeit waren aktiver als solche in der künstlichen Erdgravitation, zeigten aber auch Schwierigkeiten bei diesem Klettertest nach der Rückkehr zur Erde.

Eine eingehendere Analyse am Boden unmittelbar nach dem Flug offenbarte neurologische Veränderungen bei Fliegen, die der Mikrogravitation ausgesetzt waren. Als sich die Fliegen daran gewöhnten, nach ihrer Reise wieder auf der Erde zu sein, alterten die Fliegen, die im Weltraum der künstlichen Schwerkraft ausgesetzt waren, unterschiedlich. Sie standen vor ähnlichen, aber weniger schwerwiegenden Herausforderungen wie die Fliegen, die sich in Mikrogravitation befanden.

Den Weg für zukünftige Studien ebnen

Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass der Weltraumflug Stress in den Zellen der Fliege verursacht, der zu negativen Verhaltens- und neurologischen Auswirkungen sowie zu Veränderungen der Genexpression im Fliegengehirn führt. Die Nutzung künstlicher Schwerkraft kann jedoch die Schwierigkeiten, die die Mikrogravitation im Weltraum für das Nervensystem einer Fruchtfliege verursacht, vorübergehend lindern, selbst wenn noch langfristige gesundheitliche Komplikationen bestehen.

Da Fruchtfliegen und Menschen trotz ihrer genetischen Überschneidungen sehr unterschiedliche Organismen sind, können diese Ergebnisse nicht direkt mit dem übereinstimmen, was Menschen im Laufe ihres Lebens im Weltraum erleben werden – aber sie ebnen den Weg für Wissenschaftler, die bei der Entwicklung von Möglichkeiten zum Schutz von Astronauten weiterverfolgen Sie reisen künftig zu Zielen mit unterschiedlichen Schweregraden.

„Bei den bevorstehenden Langzeitmissionen im Weltraum, bei denen Astronauten unterschiedlichen Schwerkraftniveaus ausgesetzt sein werden, ist es unerlässlich, dass wir die Auswirkungen der veränderten Schwerkraft auf die neurologische Funktion verstehen“, sagte Dr. Siddhita Mhatre, leitende Wissenschaftlerin bei KBR Wyle bei Ames und Autor des veröffentlichten Artikels. „Wenn wir die künstliche Schwerkraft nutzen können, um weltraumbezogene Defizite zu verzögern, können wir vielleicht die Zeitpläne zukünftiger Missionen verlängern. Und Fliegen im Weltraum zusammen mit den Astronauten werden dazu beitragen, unsere Bemühungen zur Gesunderhaltung der Astronauten voranzutreiben.“