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+++ INFORMATION - Gravitationsbiologie +++

Gravitationsbiologie  [ Seite 1 ]

Gravitationsbiologie beschäftigt sich mit der Fähigkeit pflanzlicher und tierischer Organismen, Schwerkraft wahrzunehmen und sie zu ihrem bzw. unserem Nutzen einzusetzen. Wer an dieser Stelle einen umfassenden Überblick über die theoretischen Grundlagen und über alle wissenschaftlichen Ergebnisse der letzten Jahre erwartet, der mag enttäuscht werden. Wer aber einen Einstieg in dieses Gebiet der Biologie sucht und nicht sofort von physikalischen und technischen Details erschlagen werden möchte, dem mag dieser kleine Exkurs hilfreich sein. Anhand von wenigen Beispielen aus der Forschung unserer Arbeitsgruppe wird ein kleiner Einblick gegeben, was wir mit Hilfe der Forschung im Weltraum und auf der Erde über die Mechanismen der Schwerkraftwahrnehmung der biologischen Gravisensoren lernen können.

WAS IST SCHWERKRAFT EIGENTLICH?



Die Schwerkraft ist eine von vier fundamentalen physikalischen Kräften. Wir kennen die elektromagnetischen Wechselwirkungen, die schwachen und starken Kernkräfte und die Gravitation. Der Legende nach soll dem 23-jährigen Isaac Newton im Garten seiner Eltern unter einem Apfelbaum liegend die Inspiration zum Gravitationsgesetz gekommen sein, als er einen Apfel zu Boden fallen sah. Er erkannte, daß die gleiche Kraft, die den Apfel zu Boden zieht, auch auf den Mond, auf die Himmelskörper, ja auf alle Massen wirken müsse. Schwerkraft ist demnach eine Eigenschaft von Massen sich gegenseitig anzuziehen. Mit diesem Apfel schlagen wir auch gleich wieder einen halbwegs eleganten Bogen von der doch eher trockenen Physik zurück zur bunten Welt der Pflanzen, die im Mittelpunkt dieses Exkurses stehen.

WELCHE EFFEKTE HAT DIE SCHWERKRAFT?



Seit der Entstehung des Lebens auf der Erde vor etwa 3,5 Mrd. Jahren waren alle Organismen, die sich seither entwickelt haben, mit den Effekten der Schwerkraft konfrontiert; sie haben sich an die Schwerkraftverhältnisse auf der Erde angepaßt und haben diese sogar zu ihrem Vorteil genutzt. Solange die Organismen sich auschließlich im Wasser aufhielten, waren sie aufgrund des geringen Dichteunterschieds zum Wasser fast schwerelos. Wir empfinden ein ähnliches Gefühl beim Schwimmen und Tauchen im Wasser. Sobald die Organismen aber aus dem Wasser herauskletterten und zum Landleben übergingen, machte sich die Schwerkraft deutlich bemerkbar, da sich der Dichteunterschied fast vertausendfachte. So waren die Organismen gezwungen, besondere Maßnahmen zu ergreifen; z.B. wurden stabile Stützstrukturen entwickelt (wie beim Blütenstengel der Seerose), die bei einem Leben im Wasser oder an der Oberfläche nicht notwendig waren (die schwimmenden Blätter und im Wasser befindlichen Blätter weisen keine Stützelemente auf).




Wie macht sich aber nun die Schwerkraft bemerkbar? Hier beschrieben sind Auftrieb, thermische Konvektion und Sedimentation. In der linken Flasche herrscht die Erdschwerkraft von 1g (9,81 m*s^-2). Die dichtere Flüssigkeit und die Gewichte sammeln sich unten. Im Fachjargon heißt das, sie sedimentieren (Sedimentation). Die Luft befindet sich oben, das Eisstückchen mit seiner geringeren spezifischen Dichte schwimmt an der Wasseroberfläche (Auftrieb). Das kalte, spezifisch dichtere Schmelzwasser sinkt nach unten, während das wärmere Wasser eine spezifisch geringere Dichte aufweist und nach oben steigt (thermische Konvektion). Auf diese Weise funktioniert beispielsweise der Golfstrom, unser Wetter und vieles mehr. In Schwerelosigkeit aber gibt es keinen dieser Effekte. Dichteunterschiede von Massen bleiben ohne die Schwerkraft ohne Wirkung. Alle Massen werden zufällig verteilt; es gibt keine temperaturbedingten Strömungen. Herrschte keine Schwerkraft auf der Erde, hätten wir keine Bodenhaftung, der Golfstrom würde nicht funktionieren, wir hätten kein Wetter; ja wir könnten uns nicht einmal ein Glas Milch einschenken!

Schwerkraft - Nein Danke!



Die Schwerkraft ist naturgemäß nicht nur nützlich, sondern hat auch schwerwiegende Nachteile - und genau auch wegen dieser eben beschriebenen Effekte. So gibt es z.B. aufgrund von thermischer Konvektion Probleme bei industriellen Prozessen, wie der Züchtung von Kristallen oder der Herstellung von Legierungen. Auch beim Studium physikalischer, chemischer oder biologischer, schwerkraftbeeinflußter Prozesse wäre es häufig wünschenswert, wenn man den Reiz Schwerkraft einfach abschalten könnte. Grundsätzlich aber gilt: Schwerkraft läßt sich nicht abschalten - da sie eine Eigenschaft aller Massen ist. Wir können die Effekte der Schwerkraft wohl aber kompensieren!




Eine Möglichkeit ist bei dem Fallturm von ZARM in Bremen verwirklicht. Hier werden die zu analysierenden Proben in einem luftleeren Schacht "frei fallengelassen" und erfahren dabei für etwa 5s in gewisser Weise Schwerelosigkeit - da es sich dabei nicht um "echte" Schwere-losig-keit handelt, sprechen wir von "Mikrogravitation" (µg).




Ein solcher "Freier Fall" kann aber durchaus auch eine horizontale Komponente aufweisen, wie beim Parabelflug eines Flugzeugs gezeigt ist. Während das Flugzeug den oberen Teil der Parabel durchfliegt, herrschen für ca. 20-30s Mikrogravitation. Die in der nächsten Flugphase auftretenden Beschleunigungskräfte von mehreren g (1g = Erdschwerkraft) sind für die an Bord anwesenden, meist grünlich verfärbten µg-Forscher mindestens genauso unangenehm wie die eigentliche Mikrogravitationsphase.




Für die meisten physiologischen Experimente sind diese Mikrogravitationszeiten zu kurz. Wir nutzen daher hauptsächlich das Parabelflugprogramm mit Höhenforschungsraketen. An den Projekten Mini-TEXUS, TEXUS und MAXUS, die im hohen Norden Schwedens, in Lappland, auf der schwedischen Raketenabschuß- und Satellitenstation ESRANGE nahe Kiruna, durchgeführt werden, beteiligen sich das DLR und die ESA. Wissenschaftliche Proben werden in die Nutzlast (Payload) der Raketen eingebaut und erfahren nach der Startbeschleunigung je nach erreichter Flughöhe während der parabelförmigen, beschleunigungslosen Flugphase außerhalb der Erdatmosphäre Mikrogravitation von ca. 3, 6, bzw. 13 min Dauer. Während des Fluges können die Experimente per Telescience und Telecommand über in-vivo Videomikroskopie direkt beobachtet und gesteuert, Daten übermittelt bzw. direkt ausgewertet werden. Das sind hocheffiziente, kostengünstige Experimentiermöglichkeiten, die einer nur relativ kurzen Vorbereitungsphase bedürfen. Und gerade dieser Punkt ist für die moderne, rasant schnell fortschreitende Wissenschaft von enormer Bedeutung (siehe LINKS: DLR, ESA, SSC, ASTRIUM).




Die Krönung in vielerlei Hinsicht sind aber natürlich Experimente an Bord des amerikanischen Space Shuttles oder der Internationalen Raumstation (ISS), die hier im Bild zu sehen ist. Auch hier herrscht keinesfalls "echte" Schwerelosigkeit, wie man vermuten könnte, sondern auch nur ein Zustand "kompensierter Schwerkraft", eine Situation des "Freien Falls" (free fall situation).




Im Prinzip herrschen in dem Shuttle, das auf einer stabilen Umlaufbahn um die Erde kreist genauso die Bedingungen des "Freien Falls" wie im Fallturm, bei den Parabelflügen. Es herrschen die gleichen Kräfte, die auch auf die hier gezeigten Kugel wirken, die an einem Band herumgeschleudert wird. Es wirkt eine Zentrifugalkraft nach außen und eine Zentripetalkraft, hier in Form des Bandes, die der Zentrifugalkraft entgegenwirkt und diese kompensiert. Ursache für die Zentifugalkraft ist die Geschwindigkeit, mit der der Ball rotiert. Genau die gleichen Bedingungen gelten für das Shuttle und alle darin befindlichen Gegenstände. Durch die Geschwindigkeit des Shuttles entstehen Zentrifugalkräfte, die nach außen wirken, und die, im Falle einer stabilen Umlaufbahn, die Gravitationskraft, die das Shuttle zur Erde zurückzieht, kompensieren.




Die Gravitationsbiologie begann aber schon viel früher, nämlich bereits im letzten Jahrhundert mit der Verwendung von Zentrifugen und dem Versuch, Schwerelosigkeit mit Hilfe von Klinostaten zu simulieren! Mit Hilfe eines Klinostaten, der nichts anderes ist als eine horizontal rotierende Achse, wurde der einseitige Reiz Schwerkraft durch einen omnilateralen, also allseitigen Reiz, ersetzt. Hier gezeigt ist der erste Klinostat, erbaut 1880 für den berühmten deutschen Pflanzenphysiologen Julius Sachs. Wenig später wurde der Klinostat von Wilhelm Pfeffer, einem ebenfalls sehr bekannten Bonner Pflanzenphysiologen, um 1900 modernisiert und mit einem präzisen Uhrwerk als Antrieb versehen. Ein solches Prachtstück ist übrigens auch in unserem Institut zu besichtigen. Ein Ergebnis ist hier dargestellt: die Blätter einer horizontal um die eigene Achse rotierenden Pflanze werden durch verstärktes Wachstum der Blattoberseite an den Stengel angelegt. Hieran erkennt man sehr deutlich, daß die Pflanze die veränderten Schwerkraftbedingungen wahrgenommen und auf diese reagiert hat. Auch weitere Ergebnisse von Klinostatexperimenten konnten später durch moderne Mikrogravitationsexperimente betätigt werden. An dieser Stelle soll auch der schnelldrehende Klinostaten Erwähnung finden, dessen Achse sich mit 60-120 Umdrehungen pro min. dreht. Ein solcher steht z.B.im MUSC (Microgravity-User-Support-Center) des DLR in Köln. Leider beschränkt sich diese recht gute physikalische Schwerelosigkeit auf wenige mm im Bereich der Drehachse, was die Auswahl an Experimenten stark einschränkt.
 

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© Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen IMBIO, AG Gravitationbiologie  ( © Fabian A. Paul )