Kehidupan di Bumi digunakan untuk gravitasi. Jadi apa yang terjadi pada sel dan jaringan kita di ruang angkasa?
Lihat bu, tidak ada gravitasi! Gambar melalui NASA.
Oleh Andy Tay, Universitas California, Los Angeles
Ada satu kekuatan yang efeknya sangat mengakar dalam kehidupan kita sehari-hari sehingga kita mungkin tidak terlalu memikirkannya sama sekali: gravitasi. Gravitasi adalah kekuatan yang menyebabkan tarikan antar massa. Itu sebabnya ketika Anda menjatuhkan pena, jatuh ke tanah. Tetapi karena gaya gravitasi sebanding dengan massa benda, hanya benda besar seperti planet yang menciptakan daya tarik nyata. Inilah sebabnya mengapa studi gravitasi secara tradisional berfokus pada benda besar seperti planet.
Namun, misi ruang angkasa berawak pertama kami benar-benar mengubah cara kami berpikir tentang efek gravitasi pada sistem biologis. Kekuatan gravitasi tidak hanya membuat kita berlabuh di tanah; itu memengaruhi cara tubuh kita bekerja pada skala terkecil. Sekarang dengan prospek misi ruang angkasa yang lebih lama, para peneliti sedang bekerja untuk mencari tahu apa arti kurangnya gravitasi bagi fisiologi kita - dan bagaimana menebusnya.
Pada ekspedisi selama berbulan-bulan di luar angkasa, tubuh astronot harus berurusan dengan lingkungan bebas gravitasi yang sangat berbeda dengan apa yang mereka gunakan di Bumi. Gambar melalui NASA.
Terbebas dari cengkeraman gravitasi
Tidak sampai penjelajah melakukan perjalanan ke luar angkasa bahwa makhluk duniawi mana pun telah menghabiskan waktu di lingkungan gayaberat mikro.
Para ilmuwan mengamati bahwa astronot yang kembali telah tumbuh lebih tinggi dan secara substansial mengurangi massa tulang dan otot. Penasaran, para peneliti mulai membandingkan sampel darah dan jaringan dari hewan dan astronot sebelum dan sesudah perjalanan luar angkasa untuk menilai dampak gravitasi pada fisiologi. Astronot-ilmuwan di sebagian besar lingkungan bebas gravitasi dari Stasiun Luar Angkasa Internasional mulai menyelidiki bagaimana sel-sel tumbuh sementara di ruang angkasa.
Kebanyakan eksperimen di bidang ini sebenarnya dilakukan di Bumi, dengan menggunakan gayaberat mikro yang disimulasikan. Dengan memutar objek - seperti sel - dalam centrifuge dengan kecepatan cepat, Anda dapat membuat kondisi gravitasi yang berkurang ini.
Sel-sel kita telah berevolusi untuk menghadapi kekuatan di dunia yang ditandai oleh gravitasi; jika mereka tiba-tiba terbebas dari efek gravitasi, hal-hal mulai menjadi aneh.
Mendeteksi kekuatan pada tingkat sel
Seiring dengan gaya gravitasi, sel-sel kita juga mengalami kekuatan tambahan, termasuk tekanan dan tegangan geser, ketika kondisi berubah dalam tubuh kita.
Sel-sel kita membutuhkan cara untuk merasakan kekuatan-kekuatan ini. Salah satu mekanisme yang diterima secara luas adalah melalui apa yang disebut saluran ion peka-mechano. Saluran-saluran ini adalah pori-pori pada membran sel yang memungkinkan molekul bermuatan khusus masuk atau keluar dari sel tergantung pada kekuatan yang mereka deteksi.
Saluran dalam membran sel bertindak sebagai penjaga gerbang, membuka atau menutup untuk membiarkan molekul masuk atau keluar sebagai respons terhadap stimulus tertentu. Gambar melalui Efazzari.
Contoh dari reseptor mechano semacam ini adalah saluran ion PIEZO, yang ditemukan di hampir semua sel. Mereka mengoordinasikan sentuhan dan sensasi rasa sakit, tergantung pada lokasi mereka di tubuh. Misalnya, cubitan pada lengan akan mengaktifkan saluran ion PIEZO dalam neuron sensorik, yang memerintahkannya untuk membuka gerbang.Dalam mikrodetik, ion seperti kalsium akan masuk ke dalam sel, meneruskan informasi bahwa lengan itu terjepit. Rangkaian acara memuncak dengan penarikan lengan. Sensor-jenis ini dapat menjadi sangat penting, sehingga sel-sel dapat dengan cepat bereaksi terhadap kondisi lingkungan.
Tanpa gravitasi, gaya yang bekerja pada saluran ion sensitif-mechano tidak seimbang, menyebabkan pergerakan ion yang tidak normal. Ion mengatur banyak kegiatan seluler; jika mereka tidak pergi ke tempat yang seharusnya, pekerjaan sel menjadi berantakan. Sintesis protein dan metabolisme sel terganggu.
Fisiologi tanpa gravitasi
Selama tiga dekade terakhir, para peneliti telah dengan hati-hati menemukan bagaimana jenis sel dan sistem tubuh dipengaruhi oleh gayaberat mikro.
-
Otak: Sejak 1980-an, para ilmuwan telah mengamati bahwa tidak adanya gravitasi menyebabkan peningkatan retensi darah di tubuh bagian atas, dan dengan demikian meningkatkan tekanan di otak. Penelitian terbaru menunjukkan tekanan tinggi ini mengurangi pelepasan neurotransmiter, molekul kunci yang digunakan sel-sel otak untuk berkomunikasi. Temuan ini telah memotivasi studi ke masalah kognitif umum, seperti kesulitan belajar, dalam mengembalikan astronot.
-
Tulang dan otot: Tanpa bobot ruang dapat menyebabkan lebih dari 1 persen kehilangan tulang per bulan, bahkan pada astronot yang menjalani rezim olahraga yang ketat. Sekarang para ilmuwan menggunakan kemajuan dalam genomik (studi tentang sekuens DNA) dan proteomik (studi protein) untuk mengidentifikasi bagaimana metabolisme sel-sel diatur oleh gravitasi. Dengan tidak adanya gravitasi, para ilmuwan telah menemukan bahwa jenis sel yang bertanggung jawab atas pembentukan tulang ditekan. Pada saat yang sama jenis sel yang bertanggung jawab untuk merendahkan tulang diaktifkan. Bersama-sama itu menambah kehilangan tulang yang dipercepat. Para peneliti juga telah mengidentifikasi beberapa molekul kunci yang mengendalikan proses ini.
-
Kekebalan: Pesawat ruang angkasa tunduk pada sterilisasi yang ketat untuk mencegah transfer organisme asing. Namun demikian, selama misi Apollo 13, seorang astronot yang terinfeksi patogen oportunistik Fred Haise. Bakteri ini, Pseudomonas aeruginosa, biasanya hanya menginfeksi individu yang mengalami gangguan kekebalan. Episode ini memicu lebih banyak rasa ingin tahu tentang bagaimana sistem kekebalan beradaptasi dengan ruang. Dengan membandingkan sampel darah astronot sebelum dan sesudah misi luar angkasa mereka, para peneliti menemukan bahwa kurangnya gravitasi melemahkan fungsi sel-T. Sel-sel kekebalan khusus ini bertanggung jawab untuk memerangi berbagai penyakit, dari flu biasa hingga sepsis yang mematikan.
Sejauh ini tidak ada pengganti cepat untuk gravitasi. Gambar melalui Andy Tay.
Mengkompensasi kekurangan gravitasi
NASA dan badan antariksa lainnya berinvestasi untuk mendukung strategi yang akan mempersiapkan manusia untuk perjalanan ruang angkasa jarak jauh. Mencari tahu bagaimana menahan gravitasi mikro adalah bagian besar dari itu.
Latihan luar angkasa di Stasiun Luar Angkasa Internasional. Gambar melalui NASA.
Metode terbaik saat ini untuk mengatasi ketiadaan gravitasi adalah dengan menambah beban pada sel dengan cara lain - melalui olahraga. Astronot biasanya menghabiskan setidaknya dua jam setiap hari untuk berlari dan mengangkat beban untuk menjaga volume darah yang sehat dan mengurangi kehilangan tulang dan otot. Sayangnya, latihan keras hanya bisa memperlambat penurunan kesehatan astronot, bukan mencegahnya sepenuhnya.
Suplemen adalah metode lain yang diselidiki oleh peneliti. Melalui studi genomik dan proteomik berskala besar, para ilmuwan telah berhasil mengidentifikasi interaksi kimia-sel tertentu yang dipengaruhi oleh gravitasi. Kita sekarang tahu bahwa gravitasi mempengaruhi molekul-molekul kunci yang mengendalikan proses seluler seperti pertumbuhan, pembelahan, dan migrasi. Misalnya, neuron yang ditumbuhkan dalam gayaberat mikro pada Stasiun Luar Angkasa Internasional memiliki lebih sedikit satu jenis reseptor untuk neurotransmitter GABA, yang mengontrol pergerakan dan penglihatan motorik. Menambahkan lebih banyak fungsi yang dipulihkan GABA, tetapi mekanisme pastinya masih belum jelas.
NASA juga mengevaluasi apakah menambahkan probiotik ke dalam makanan luar angkasa untuk meningkatkan sistem pencernaan dan kekebalan tubuh para astronot dapat membantu mencegah efek negatif dari gayaberat mikro.
Pada hari-hari awal perjalanan ruang angkasa, salah satu tantangan pertama adalah mencari tahu cara mengatasi gravitasi sehingga roket dapat membebaskan diri dari tarikan Bumi. Sekarang tantangannya adalah bagaimana mengimbangi efek fisiologis dari kurangnya gaya gravitasi, terutama selama penerbangan jarak jauh.
Andy Tay, Ph.D. Siswa di Bioteknologi, Universitas California, Los Angeles
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation. Baca artikel aslinya.