Lässt sich die Schwerkraft ausschalten?

Kurzfassung

Einleitung: Die Schwerkraft auszuschalten, davon träumen Wissenschaftler seit der Antike und der Sage des Ikarus. Methoden zu entwickeln, die dies ermöglichen sind im Zeitalter der Raumfahrtforschung von hohem Interesse, zumal Experimente im Weltraum kostspielig, logistisch enorm aufwendig und im Regelfall nicht so einfach wiederholbar sind. Folglich sind grundlegende Experimente wichtig, um etwas über die Schwerkraftsensitivität und Reaktionszeiten des Untersuchungsobjektes zu erfahren, damit das Weltraumexperiment optimal vorbereitet werden kann. Fragestellung: Lassen sich Versuchsanlagen und -bedingungen auf der Erde herstellen, die vergleichbar sind zu der Situation in Schwerelosigkeit? Ziele sind, dem exponierten biologischen System das Gefühl für „oben und „unten“ zu nehmen und schwerkraftbedingte Phänomene wie die Sedimentation aufzuheben. Methodik: Für kleine biologische Systeme lässt sich Mikrogravitation auf der Erde mittels sogenannter Klinostaten simulieren. Hierbei wird eine Probe mit möglichst geringem Durchmesser um eine horizontale Drehachse, welche rechtwinklig zum Schwerkraftvektor steht, so schnell gedreht, dass ihre Sedimentation aufgehoben wird. Damit wirkt der an sich gerichtete Gravitationsreiz von allen Seiten auf das Biosystem ein und wird, so die Annahme, von diesem nicht mehr wahrgenommen. Am DLR in Köln werden Klinostaten zur Kultivierung von Zellen, kleinen Pflanzen und Tieren mit Möglichkeiten zur Beobachtung, chemischen Fixierung oder online Messung von Kinetiken entwickelt. Für große Objekte, wie einen Menschen, gestaltet sich die Situation komplexer. 6 Grad Kopf-Tieflage, Trockenimmersion und Tauchen sind derzeitig gewählte Ansätze, um zumindest einzelne Funktionen vergleichbar wie in Schwerelosigkeit zu verändern. Ergebnisse: Durch Experimente an etablierten Modellsystemen in simulierter und realer Mikrogravitation gelang es uns, Betriebsmodi und Konfigurationen der Bodenanlagen zu definieren und somit optimale Bedingungen zur Simulation von Schwerelosigkeit zu entwickeln. Beispiele sind die Aufhebung des schwerkraftgerichteten Orientierungsverhaltens von Zellen (Gravitaxis) und der Wachstumsrichtung von Pflanzen (Gravitropismus) und damit verbundene Positionsänderung von Statolithen und Neutralisation von Dichteunterschiede von Zellkompartimenten. Für den Menschen geben die Simulationsansätze zwar gute Annäherungen für z. B. Muskel- und Knochenphysiologie, andere Funktionen wie das Vestibularsystem werden aber weiterhin von dem Gravitationsvektor stimuliert. Schlussfolgerungen: Die Schwerkrafteinwirkung lässt sich zumindest für einige physiologische Parameter auf der Erde mittels geeigneter Simulation minimieren. So kann systematisch geprüft werden ob ein Untersuchungsparameter Schwerkraftrelevanz hat. Um Fehlinterpretationen der Ergebnisse zu verhindern, bedarf es der Verifizierung der Daten in realer Mikrogravitation.