La biología gravitacional es una disciplina científica que estudia el efecto de la gravedad en los organismos vivos. A lo largo de la historia de la vida en la Tierra, los organismos han evolucionado bajo la influencia de factores variables como los cambios en el clima y el hábitat [1] . Pero la gravedad, en contraste con el clima y el hábitat, es un factor que actúa constantemente sobre la Tierra, sin cambios en sus características (orientación e intensidad). La gravedad, sin embargo, contribuye a la evolución de todos los organismos vivos de la misma manera que lo hacen los factores que varían con el tiempo. El desarrollo evolutivo de los organismos vivos tuvo lugar en condiciones de lucha constante con la gravedad, lo que condujo a la aparición de mecanismos compensatorios (por ejemplo, el desarrollo del esqueleto en los animales y los tejidos mecánicos en las plantas), que cumplen perfectamente sus funciones en condiciones terrestres. . Obviamente, la ausencia o fuerte disminución de la gravedad ( microgravedad ), así como su aumento en comparación con el nivel de la tierra ( hipergravedad ) tiene un efecto profundo en la mayoría de los organismos vivos terrestres [2] [3] .
Los científicos que estudian el efecto de la gravedad en los organismos vivos y sus vidas se llaman biólogos gravitacionales. Los biólogos gravitacionales buscan facilitar el intercambio de ideas con varios grupos de científicos e ingenieros , lo que permite el desarrollo de nuevos métodos aplicados y fundamentales de investigación biológica en la ciencia de la gravedad, tanto en la Tierra como en el espacio [4] .
La gravedad es una de las cuatro fuerzas fundamentales que operan en la naturaleza. La gravedad es la fuerza de atracción entre cuerpos materiales de todos los tamaños, desde átomos en el cuerpo de las personas hasta estrellas en el universo . La gravedad de la Tierra es la fuerza con la que el planeta Tierra atrae y retiene todos los objetos materiales en su superficie. Todos los objetos materiales tienen su propia atracción gravitatoria, proporcional a las masas de estos objetos, por lo que la fuerza de atracción de los objetos pequeños es mucho menor que la fuerza gravitatoria de la Tierra, que actúa a una distancia de 80.000 kilómetros de la Tierra. La fuerza de gravedad sobre la superficie de la Tierra es constante en magnitud y dirección: -{g}- = 9,81 -{m/s2}- .
Hay muchas preguntas relacionadas con el efecto de la gravedad de la Tierra sobre los organismos vivos. La biología gravitacional estudia, en particular, las siguientes cuestiones:
Con el inicio de la era de los vuelos espaciales, la humanidad se enfrentó a la necesidad de garantizar la vida normal y la eficiencia del trabajo humano en condiciones de ingravidez. Además de los problemas prácticos asociados con la resolución de este problema, la biología gravitacional resuelve una serie de cuestiones fundamentales en los campos de la fisiología humana, animal y vegetal, la señalización celular y la diferenciación celular , y la embriología . En la mayoría de los casos, la ingravidez tiene efectos negativos en el desarrollo y funcionamiento de los organismos vivos multicelulares, sin embargo, también se ha encontrado un efecto positivo de la ingravidez en los seres vivos [5] .
La gravedad ha influido en el desarrollo de la vida animal desde la aparición del primer organismo unicelular. El tamaño de las células biológicas individuales es inversamente proporcional a la intensidad del campo gravitatorio que actúa sobre la célula. En condiciones de hipergravedad, el tamaño de las células será menor que en las condiciones del campo gravitatorio terrestre, y en condiciones de ingravidez, las células alcanzarán tamaños mayores. Por lo tanto, la gravedad es el factor limitante en el crecimiento de las células individuales [6] .
Sin embargo, las células son capaces de superar parcialmente las limitaciones impuestas por la gravedad, debido a algunas estructuras intracelulares, en particular, el citoesqueleto, que permite que las células mantengan su forma en las condiciones de la gravedad terrestre. Como una adaptación de las células a la gravedad terrestre, también se puede considerar el movimiento del protoplasma , formas de células largas y delgadas, aumento de la viscosidad del citoplasma y una disminución significativa en la gravedad específica de los componentes celulares [7] [8] .
Actualmente, debido a la necesidad de prepararse para vuelos espaciales interplanetarios de larga duración, se está estudiando el efecto de la ingravidez en los sistemas musculoesquelético, cardiovascular, linfático e inmunológico de vertebrados y humanos [9] .
El estudio del desarrollo y crecimiento de células , plantas y animales en ausencia de gravedad es de gran importancia para entender cómo afecta la gravedad a la actividad vital, crecimiento y desarrollo de los seres vivos en la Tierra. Estar en ingravidez de plantas, animales y personas en pocos días provoca la aparición de cambios estructurales y funcionales. Numerosos experimentos han demostrado que estar en el espacio conlleva cambios en el metabolismo celular, las funciones de las células inmunitarias, la división celular, etc. Por ejemplo, después de varios días de estar en microgravedad, algunas células progenitoras del sistema inmunitario humano dejaron de diferenciarse en células maduras [10]. ] [11] . Sin embargo, los científicos creen que los cambios en la diferenciación celular pueden no estar asociados con la exposición a la microgravedad, sino con el estrés asociado con los vuelos espaciales. El estrés puede alterar la actividad metabólica e interrumpir las reacciones bioquímicas en el cuerpo.
“Por ejemplo, la microgravedad dificulta el desarrollo de las células óseas. Las células óseas mueren si no están conectadas entre sí o con la matriz extracelular. En la ingravidez, hay menos presión sobre las células óseas, por lo que tienen menos contactos intercelulares y mueren con mayor frecuencia. Estos hechos sugieren que la gravedad puede guiar el desarrollo de estas células”.
Otra área que trata la biología de la gravedad es el cultivo de células en el espacio, donde se crean ciertas condiciones y ventajas para el crecimiento de tejidos en un entorno de microgravedad. En los laboratorios de la Tierra, las células se cultivan en placas de Petri. Pero en un organismo vivo, las células forman tejidos de características completamente diferentes. Crecen como capas tridimensionales de tejido formadas por células especializadas y diferenciadas. Debido a que las células se cultivan en placas de Petri o in vitro, las condiciones no permiten la diferenciación de los diferentes tipos de células que componen el tejido y son esencialmente inútiles para fines biomédicos, como el trasplante de tejido. Para modelar un microambiente celular fisiológicamente relevante, se utilizan varios métodos de cultivo celular, como el cultivo dinámico [12] .
Sin embargo, los científicos han descubierto que si las células crecen sin la influencia de la gravedad de la Tierra, forman una estructura que se asemeja más a las estructuras de tejido natural del cuerpo. Los experimentos han demostrado que la microgravedad es más adecuada para el cultivo celular y el crecimiento de tejidos que las condiciones terrestres, lo que puede ser de gran importancia para las tecnologías biomédicas [9] .
La gravedad juega un papel crucial en el crecimiento de las plantas porque las plantas tienen la propiedad del gravitropismo: la capacidad de crecer en una determinada dirección dependiendo de la dirección de la gravedad. Las raíces de las plantas tienden a tener gravitropismo positivo, creciendo hacia el centro de la Tierra, mientras que los brotes verdes de las plantas tienen gravitropismo negativo y crecen en dirección opuesta al vector de gravedad.
¿Cómo perciben las plantas la gravedad? Son capaces de hacer esto a través de la secreción de hormonas. Una de estas hormonas son las auxinas , que aseguran el crecimiento y elongación de las células de la raíz. Las auxinas se sintetizan en una u otra parte aérea de la planta, desde donde migran hacia las raíces, se acumulan bajo la acción de la gravedad y estimulan el crecimiento de las células de la raíz. Las hormonas también son responsables del crecimiento de los brotes de las plantas en dirección opuesta a la gravedad.
En el espacio exterior en microgravedad , las señales químicas que normalmente se activan por la fuerza de la gravedad están ausentes, o al menos no son capaces de proporcionar gravitropismo. El cultivo masivo de plantas en el espacio ha mostrado respuestas inusuales a los efectos de la ingravidez . Se observaron cambios en los cromosomas en las raíces de algunas células vegetales . También es interesante que algunas plantas echan raíces en el espacio mucho más rápido que las mismas plantas en la Tierra.
Los científicos aún no pueden explicar completamente las razones de este comportamiento de las plantas, por lo que actualmente se están realizando numerosos estudios. Una comprensión fundamental de los procesos de crecimiento y reproducción de las plantas en el espacio es esencial para el éxito futuro de los vuelos espaciales interplanetarios, en los que los cultivos obtenidos en el espacio serán la principal (y quizás la única) fuente de alimento para la tripulación de la nave espacial [13 ] .