Podróże kosmiczne, marzenie ludzkości i szczyt postępu technologicznego, niosą ze sobą nieoczekiwaną i intrygującą paralelę z jednym z najbardziej fundamentalnych procesów biologicznych na Ziemi – starzeniem się. Na pierwszy rzut oka, przebywanie w stanie nieważkości wydaje się wyzwalające, ale dla ludzkiego ciała jest to środowisko, które uruchamia kaskadę zmian fizjologicznych niezwykle podobnych do tych, których doświadczamy z biegiem lat. Jednym z najbardziej wyraźnych wyzwań, z jakimi borykają się astronauci, jest przyspieszone niszczenie organizmu, objawiające się poprzez osłabienie mięśni, utratę gęstości kości i zaburzony system odpornościowy. Te objawy, które na Ziemi zazwyczaj kojarzone są z podeszłym wiekiem, w kosmosie stają się codziennością dla najzdrowszych i najbardziej sprawnych fizycznie osób.

To zdumiewające podobieństwo skłoniło społeczność naukową do głębszych badań. Chociaż systemowe skutki lotów kosmicznych na organizm są dobrze udokumentowane, mechanizmy zachodzące na poziomie mikroskopowym, komórkowym, pozostały w dużej mierze niezbadane. Właśnie tę lukę postanowiła wypełnić Sharon van Rijthoven, studentka z Delft University of Technology i Vrije Universiteit Amsterdam, podczas swojego stażu w Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Jej badania zagłębiły się w samo sedno problemu, porównując komórkowe markery starzenia się ze zmianami, jakich doświadczają komórki w warunkach zmienionej grawitacji.

Ciało ludzkie w świecie nieważkości

Kiedy astronauci przybywają na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS), wkraczają do świata bez ciężaru. Unoszenie się przez moduły może wydawać się zabawne, ale brak siły grawitacji oznacza, że układ mięśniowo-szkieletowy, zaprojektowany do nieustannej walki z grawitacją Ziemi, traci swoją podstawową funkcję. Mięśnie, które utrzymują nas w pozycji pionowej, i kości, które noszą nasz ciężar, nagle stają się częściowo zbędne. Bez stałego obciążenia ciało rozpoczyna proces adaptacji, który w istocie jest procesem atrofii. Włókna mięśniowe kurczą się, a kości tracą wapń i inne kluczowe minerały, stając się bardziej kruche i porowate. Szacuje się, że astronauci w mikrograwitacji mogą tracić od 1% do 2% gęstości kości miesięcznie w kluczowych kościach, takich jak kość udowa, co jest tempem utraty porównywalnym do tego u starszych kobiet z osteoporozą na Ziemi.

Aby przeciwdziałać temu drastycznemu niszczeniu i zapewnić bezpieczny powrót na Ziemię, gdzie ich ciała ponownie będą narażone na pełną siłę grawitacji, astronauci przechodzą niezwykle rygorystyczny i wymagający reżim ćwiczeń. Codziennie, sześć dni w tygodniu, spędzają około dwóch i pół godziny na ćwiczeniach. Ich kosmiczna siłownia wyposażona jest w specjalistyczne urządzenia zaprojektowane do pracy w stanie nieważkości. Obejmuje to maszyny takie jak ARED (Advanced Resistive Exercise Device), która wykorzystuje cylindry próżniowe do symulacji podnoszenia ciężarów, bieżnię T2, do której astronauci są przymocowani elastycznymi pasami, aby nie odlecieli, oraz rower stacjonarny CEVIS (Cycle Ergometer with Vibration Isolation and Stabilization System). Wysiłki te są kluczowe dla utrzymania siły mięśni i wspierania zachowania masy kostnej.

Komórkowe paralele między kosmosem a czasem

Sharon van Rijthoven w swoich badaniach podkreśliła, że chociaż na poziomie całego organizmu widzimy liczne podobieństwa między skutkami starzenia się a mikrograwitacją, niewiele badań skupiło się na zmianach na poziomie komórkowym. Jej praca, opublikowana w prestiżowym czasopiśmie FASEB Journal, położyła podwaliny pod zrozumienie tego związku od podstaw – z perspektywy samej komórki.

Aby przeprowadzić kompleksową analizę, Sharon wzięła pod uwagę trzy formy zmienionej grawitacji, które różnią się od tego, czego doświadczamy na co dzień na Ziemi. Pierwszą jest oczywiście mikrograwitacja, stan niemal całkowitej nieważkości, jakiego doświadczają astronauci na orbicie. Drugą jest symulowana mikrograwitacja, którą naukowcy mogą stworzyć na Ziemi za pomocą różnych technik. W przypadku próbek biologicznych, takich jak hodowle komórkowe, używa się urządzeń takich jak maszyna do losowego pozycjonowania (Random Positioning Machine) lub klinostat, które poprzez ciągły obrót uniemożliwiają komórkom "odczuwanie" jednego kierunku grawitacji. W badaniach na ludziach najczęściej stosuje się model leżenia w łóżku z głową w dół (Head-Down Tilt Bed Rest), gdzie długotrwałe przebywanie w tej pozycji symuluje redystrybucję płynów i zmniejszone obciążenie dolnej części ciała, podobnie jak w kosmosie. Trzecią formą jest hipergrawitacja, czyli zwiększona siła grawitacji, którą można wytworzyć w wirówkach o dużej średnicy, takiej jak ta, którą posiada ESA, a która wystawia próbki na działanie sił wielokrotnie silniejszych od grawitacji ziemskiej.

Nieoczekiwane wyniki dogłębnej analizy komórkowej

W badaniu porównano aż 165 znanych oznak starzenia się na poziomie komórkowym z istniejącymi badaniami dotyczącymi wpływu zmienionej grawitacji na komórki. Początkowa hipoteza była logiczna i elegancka: skoro mikrograwitacja powoduje objawy systemowe podobne do starzenia się, oczekiwano, że również markery komórkowe wykażą tę samą tendencję. Założono, że oznaki starzenia się będą zbieżne z tymi obserwowanymi w rzeczywistej lub symulowanej mikrograwitacji, podczas gdy w hipergrawitacji skutki będą przeciwne, potencjalnie nawet "odmładzające" dla komórki.

Jednak, jak to często w nauce bywa, wyniki były dalekie od prostych i jednoznacznych. Rezultat zburzył początkowe oczekiwania i ukazał znacznie bardziej złożony obraz. Spośród 165 analizowanych komórkowych oznak starzenia, mniej niż jedna trzecia wykazała zgodność, czyli podobny efekt między biologicznym starzeniem się a ekspozycją na rzeczywistą lub symulowaną mikrograwitację. Kolejna jedna trzecia oznak nie została jeszcze w ogóle zbadana w kontekście zmienionej grawitacji, co wskazuje na ogromny obszar do przyszłych badań. Szczególnie zaskakujące było to, że piętnaście procent oznak wykazywało całkowicie przeciwne skutki. Innymi słowy, pod pewnymi względami mikrograwitacja działała na komórki w sposób przeciwny do procesu starzenia. Wyniki te nie dały jasnej odpowiedzi na pytanie, dlaczego systemowe skutki starzenia się i mikrograwitacji są tak podobne, ale otworzyły drzwi do nowych, intrygujących teorii.

Nowa hipoteza: 'Zniekształcona' komunikacja komórkowa

W obliczu tych złożonych danych, Sharon van Rijthoven zaproponowała w swojej pracy innowacyjną teorię. Chociaż zarówno starzenie się, jak i zmieniona grawitacja wpływają na sposób, w jaki komórki "rozmawiają" ze sobą, sugeruje ona, że podstawowe mechanizmy są zupełnie inne. Jej hipoteza koncentruje się na procesie zwanym mechanotransdukcją. Jest to fundamentalna zdolność komórek do odczuwania sił fizycznych ze swojego otoczenia – takich jak nacisk, rozciąganie czy grawitacja – i przekształcania tych bodźców mechanicznych w sygnały biochemiczne, które zarządzają ich zachowaniem, wzrostem i funkcją.

W mikrograwitacji, przewiduje Sharon, ten kluczowy szlak komunikacyjny jest zakłócony. Komórki, pozbawione stałego sygnału grawitacyjnego, stają się "głuche" na swoje fizyczne otoczenie. Sharon obrazowo wyjaśnia to analogią do gry w "głuchy telefon", w której wiadomość jest przekazywana od osoby do osoby i na końcu staje się całkowicie zniekształcona. W świecie komórkowym utrata wyraźnego sygnału mechanicznego prowadzi do kaskady błędnych poleceń biochemicznych. Komórki zaczynają otrzymywać mylące instrukcje, co skłania je do zachowywania się tak, jakby się starzały – zmniejszają swoją aktywność, zmieniają ekspresję genów lub wchodzą w stan spoczynku. Kluczowa różnica, według tej teorii, polega na tym, że w przypadku biologicznego starzenia dochodzi do rzeczywistego, często nieodwracalnego uszkodzenia składników komórkowych, podczas gdy w mikrograwitacji problem leży w "oprogramowaniu" – w zniekształconej komunikacji, a niekoniecznie w "sprzęcie" samej komórki.

Teoria ta sugeruje, że chociaż komórki w kosmosie naśladują starzenie się, w rzeczywistości nie starzeją się w ten sam fundamentalny sposób. To wyjaśnia, dlaczego skutki lotu kosmicznego, w przeciwieństwie do prawdziwego starzenia się, są w dużej mierze odwracalne. Kiedy astronauci wracają na Ziemię, grawitacja ponownie ustanawia wyraźny sygnał mechaniczny, "głuchy telefon" zostaje naprawiony, a komórki stopniowo wracają do normalnego funkcjonowania. Ta wiedza jest niezwykle dobrą wiadomością dla astronautów odwiedzających ISS. W szerszej skali naukowej, badania te podkreślają, jak wiele niewiadomych wciąż istnieje, jeśli chodzi o komórkowe skutki zmienionej grawitacji, otwierając nowe pola dla przyszłych eksperymentów i badań. Jack van Loon, mentor Sharon z laboratorium ESA, podkreśla, że badanie to doskonale pokazuje korzyści płynące z dawania szans młodym naukowcom, których świeże spojrzenie może prowadzić do imponujących publikacji i identyfikacji kluczowych obszarów dla przyszłych badań naukowych.