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spaziali avvengono a distanze dalla superficie terrestre dell’ordine di 300-400
km in cui il campo gravitazionale è ben presente e forte.
Il termine “assenza di gravità” o “assenza di peso” è sostituito oggi da quello più
corretto di “microgravità” (µg), comunemente applicato ad una condizione di
caduta libera entro un campo gravitazionale in cui il peso di un oggetto è
significativamente ridotto rispetto al suo peso a riposo sulla terra.
Microgravità “reale” è quella effettivamente presente nello spazio per
distinguerla da quella “simulata” ottenibile a terra con diverse, sofisticate
apparecchiature tra le quali i clinostati, in grado di ricreare quasi perfettamente
la mancanza di gravità. I livelli di gravità ottenuti in esperimenti nello spazio
vanno da ordini di gravità di 10
-6
a 10
-2
g, quelli ottenibili in simulazioni a terra
sono dell’ordine di 10
-2
g a10
-4
g.
Durante gli ultimi 20 anni un’enorme varietà di facilities è stata messa a
punto per la ricerca nello spazio e numerose opportunità di volo sono state
offerte alla comunità scientifica.
Gli esperimenti spaziali possono essere realizzati mediante diversi vettori
e per tempi variabili, brevissimi nei voli parabolici su particolari aerei che
effettuano parabole di 20 sec., brevi dell’ordine di 5-15 min. nei razzi sonda
(Texus, Maser, Maxus), più lunghi fino a 16 giorni nei laboratori orbitanti degli
Shuttle (Skylab, Spacelab) o di più lunga durata come quelli effettuati nei
laboratori delle stazioni spaziali orbitanti MIR o la ISS. L’utilizzo dell’uno o
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dell’altro vettore è legato alla durata dell’esperimento e al tipo di informazioni
che si vogliono ottenere.
La scelta dei Razzi Sonda, che assicurano solo pochi minuti di
microgravità, è appropriata quando si vuole studiare l’espressione precoce, che
avviene entro pochi minuti dall’attivazione, di quei geni che promuovono la
proliferazione cellulare nei linfociti.
Gli esperimenti a bordo degli Shuttle e quelli sulla Stazione Spaziale
Internazionale ci permettono invece di studiare gli effetti della microgravità per
tempi più lunghi e su meccanismi biochimici e fisiologici più complessi.
Gli esperimenti a bordo dei Palloni Stratosferici, che volano all’interno
dell’orbita terrestre, a circa 40 Km, sono volti allo studio degli effetti delle
radiazioni cosmiche sul materiale biologico indipendentemente dallo stress
gravitazionale, rendendo possibile discriminare in tal modo tra gli effetti
provocati dalle due componenti, microgravità e radiazioni presenti invece
contemporaneamente nello spazio .
Lavorare in microgravità permette agli scienziati ed ai ricercatori di
eliminare gli effetti della gravità e di smascherare dei fenomeni che giocano dei
ruoli chiave nella biologia, nella fisica e nella chimica e di sperimentare su
prodotti difficili o impossibili da ottenere sulla terra.
L’accesso allo spazio permette di scoprire quali meccanismi cellulari e quali
funzioni biologiche siano cambiati in assenza della forza gravitazionale
terrestre.
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Gli studi e le ricerche effettuate sulla stazione orbitante permetteranno per
esempio, di mettere a punto nuovi trattamenti farmacologici contro i tumori,
nuovi vaccini, ma anche nuovi materiali e leghe metalliche dalle caratteristiche
innovative e nuovi processi produttivi e tecnologici con potenzialità
commerciali .
La storia della Biologia Spaziale ha fatto passi da gigante da quando il 4
Ottobre 1957 dal Cosmodromo di Baikonur- Kazhakistan, partì lo Sputnik I, il
primo lancio riuscito di un satellite artificiale della storia, il 1° oggetto costruito
dall’uomo ad uscire dall’atmosfera terrestre che diede inizio all’epoca
dell’esplorazione spaziale. Da qui, il 3 Novembre 1957 partì con lo Sputnik 2, la
cagnetta Laika, il 1° essere vivente terrestre ad entrare in orbita, e sempre da qui,
il 12 Aprile 1961 Yuri Gagarin colonnello e astronauta sovietico decollò, con la
navicella Vostok, per il primo volo umano nello spazio, portando a termine la
sua missione dopo 108 min. di volo a 27.400 Km/h, dimostrando che l’uomo
era in grado di volare oltre le previsioni e diventando a soli 27 anni il primo
uomo della storia a compiere l’intero periplo del globo e ad orbitare intorno alla
terra, osservandola dallo spazio e guardando dalla navicella quello che nessuno
aveva mai visto prima.
E sempre da Baikonur fu lanciata, 2 anni dopo, l’ex operaia Valentina
Tereskova, che si aggiudicò il titolo di 1
a
donna nello spazio e, come ultimo
schiaffo agli USA, rimase in orbita più ore di tutte quelle sommate fino ad allora
dagli astronauti Americani.
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Da allora lo sviluppo della Biologia spaziale può essere suddiviso in 3 fasi.
Durante la prima fase, dai primi anni ’70 alla metà degli anni ’80, i
sistemi viventi sono stati studiati in modo random per indagare gli effetti più
evidenti dell’ambiente spaziale. Grazie alle missioni Spacelab gli innumerevoli
dati così ottenuti e pubblicati al CSBM (Committel on Space Biology and
Medicine) hanno determinato importanti shift nei programmi NASA (Scienze
della vita) verso aree specifiche della biologia .
Successivamente, in una seconda fase gli obbiettivi furono quelli di
capire a quali cambiamenti va incontro l’essere umano sottoposto a condizioni
di microgravità e come minimizzarne gli effetti più deleteri. Appartengono a
questa fase che è durata fino agli anni ’90 anche le importanti ricerche sugli
effetti della microgravità a livello cellulare.
La terza fase, è appena al suo inizio, ma è andato sempre più
aumentando negli ultimi anni l’interesse dell’uomo verso l’uso della
microgravità come utile strumento nella ricerca di base, per lo studio di processi
complessi ed ancora oscuri, per lo studio di importanti aspetti dei meccanismi
cellulari quali “signal transduction”, espressione genica, differenziamento e
proliferazione che non sono stati ancora completamente chiariti, per verificare
quali meccanismi e quali funzioni fisiologiche sono cambiate nello spazio.
La microgravità può essere anche un utile strumento nella ricerca
applicata in Biologia, Medicina e Biotecnologia per lo sviluppo di nuove
tecniche, ad esempio per incapsulare farmaci anti tumorali in sfere
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microscopiche di lattice che permettono di migliorarne la loro efficacia senza
dannosi effetti collaterali, perché arrivano in dosi più concentrate direttamente
nei tessuti maligni e per la fabbricazione più economica a 0g di sostanze
medicinali attualmente molto costose; inoltre per la mancanza di sedimentazione
e di convezione termica, nello spazio materiali di diversa densità possono essere
fusi, mescolati e risolidificati senza dare striature o impurità. Infatti, la
microgravità potrebbe essere un validissimo mezzo col quale, modificando
l’ambiente naturale nel quale le cellule si sono finora evolute, gettare nuovi
ponti per risolvere gli enigmi ancora insiti nella materia vivente. Ad esempio
due sistemi così intriganti come quello nervoso e quello immunitario, la cui
complessità è direttamente proporzionale alla loro fondamentale importanza per
la nostra sopravvivenza, sono tuttora oggetto di intensi studi da parte dei biologi
spaziali e per i quali la microgravità potrebbe apportare importanti contributi. Il
fine ultimo degli studi di Biologia Spaziale rientra nella conoscenza dei limiti
del corpo umano nello spazio e i traguardi da raggiungere sono :
1. Descrivere e capire l’adattamento umano all’ambiente spaziale
e il successivo riadattamento all’ambiente terrestre.
2. Utilizzare le conoscenze acquisite per escogitare procedure o
contromisure che migliorino la salute, la sicurezza, il benessere
e la performance dell’uomo nello spazio.
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3. Capire il ruolo che la gravità terrestre gioca nei processi
biologici e nei meccanismi cellulari sia negli animali che nelle
piante.
4. Stabilire se i fenomeni biologici che si verificano in un
organismo o in gruppi di organismi, possano essere studiati
meglio nello spazio che sulla terra.
Effettivamente l’assenza di gravità potrebbe favorire nuove tappe non
conosciute alla gravità terrestre e lo studio di tali tappe potrebbe contribuire a
chiarire processi biologici non ancora del tutto compresi.
Per comprendere meglio la sempre maggior rilevanza che sta
acquistando la ricerca spaziale e con essa la biologia spaziale basti pensare che
in questi recentissimi tempi sta vedendo la luce la realizzazione del più
ambizioso progetto di laboratorio scientifico spaziale, la ISS (International
Space Station). E’ un gioiello della tecnologia mondiale, frutto degli sforzi
congiunti di ben 16 nazioni fra cui Stati Uniti, Canada, Europa, Russia e
Giappone. Grande più o meno come un campo da calcio (quattro volte più ampia
della stazione orbitante russa MIR), una volta completata, sarà costituita da sei
laboratori e due moduli abitativi pressurizzati, e da nove piattaforme esterne per
l'alloggiamento di strumentazione scientifica. Può ospitare fino a 6 astronauti e
mantenere sotto osservazione, grazie alle caratteristiche orbitali, l'85% della
superficie terrestre, dove vive il 95% della popolazione; viene visitata ogni tre
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mesi dallo Shuttle o dai vettori russi, che provvedono al trasporto di materiale
scientifico e di sussistenza e al ricambio dell'equipaggio.
Ed è proprio a bordo della ISS che, nei primi di Aprile di quest’ anno,
sono stati eseguiti gli esperimenti oggetto di questa tesi. Gli esperimenti messi a
punto dalla nostro gruppo, selezionati tra gli esperimenti Europei del
Programma BIO dell’ESA, rientrano tra quelli volti allo studio degli effetti della
microgravità sul corpo umano.
1.1 Effetti della microgravità sull’organismo umano
Come agli inizi dell’era spaziale, anche oggi e sempre più l’attenzione dei
ricercatori è volta soprattutto a garantire la salute, il benessere e la performance
degli astronauti/cosmonauti.
E’ stato largamente dimostrato che la microgravità produce profondi
cambiamenti in un elevato numero di funzioni fisiologiche.
In un ambiente estremo come quello spaziale tutto diventa più complicato.
La macchina-uomo non è stata "progettata" per vivervi ed operarvi.
E’ largamente dimostrato che la microgravità produce profondi cambiamenti in
un elevato numero di funzioni fisiologiche. Numerosi sono stati gli esperimenti
di medicina ospitati a bordo degli Shuttle (es. Columbia), effettuati mediante
monitoraggio respiratorio e cardiovascolare su membri dell’equipaggio,
sottoposti a diversi esercizi fisici di routine, per una serie di ricerche sul cuore
umano, polmoni, metabolismo, organi di senso impegnati nel rispondere alla
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microgravità e per studi sulla formazione e conservazione dell’osso, sulla
crescita e riparazione del tessuto connettivo, sulla funzione del sistema
immunitario. Diverse funzioni del corpo umano sono infatti influenzate dalle
alterate condizioni gravitazionali. Le principali modificazioni adattative a tale
condizione riguardano soprattutto:
Il sistema cardiovascolare e respiratorio In microgravità viene a mancare
la pressione idrostatica poiché i fluidi perdono il loro peso. Di conseguenza, il
sangue non essendo più "risucchiato" verso il basso dalla gravità, si accumula
nel torace e nella testa. Questa ridistribuzione dei liquidi dà inizio a una cascata
di processi a livello ormonale, renale e meccanico che regolano i livelli di fluidi
e di elettroliti. Questo spostamento dei fluidi (fluid shift) verso la parte superiore
del corpo, in particolare a carico della testa, ne aumenta la pressione. Ciò spiega
il motivo di alcuni sintomi del cosiddetto “mal di spazio” (space motion
sickness) come mal di testa e la cosiddetta facies lunare o viso gonfio.
L'organismo umano registra erroneamente questo shift come un aumento della
volemia generale e cerca di compensare allo squilibrio creatosi aumentando il
volume di urina prodotta. La velocità di filtrazione renale aumenta del 20%. Le
conseguenze più evidenti sono un innalzamento della concentrazione del sangue
che induce il midollo osseo a produrre meno globuli rossi, ovvero alla comparsa
di una leggera forma di anemia.
Il sistema muscolo scheletrico. Secondo una regola della biologia tutto
ciò che non serve va eliminato. Ed è proprio ciò che fa il corpo umano in orbita,
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dove non servono muscoli forti: non c'è la gravità da vincere, dunque il tessuto
muscolare deve essere di minore entità (Atrofia muscolare).
Lo stesso vale per lo scheletro, che non deve sopportare il peso del corpo. Il
metabolismo osseo nello spazio cambia sostanzialmente e la perdita di tessuto
osseo (osteoporosi) è alquanto sensibile a livello delle vertebre inferiori, del
bacino e della parte alta del femore con una percentuale che, secondo studi
congiunti russo-americani, arriva all'1% al mese per tutta la durata della
missione, con conseguente rischio di fratture. Ne deriva un incremento dei livelli
di calcio nell'organismo che favorisce la formazione di calcoli renali e la
calcificazione dei tessuti molli.
Il sistema immunitario. Un capitolo a parte meritano gli effetti della
microgravità sul sistema immunitario, da noi estesamente studiati, perchè
subisce notevoli cambiamenti risultando influenzato negativamente dalla
microgravità, con conseguente riduzione delle difese immunitarie degli
astronauti/cosmonauti soggetti ad una forte depressione della loro risposta
immune.
Comunque un dato importante è la notevole tolleranza degli organismi
superiori alla microgravità (ad eccezione del Tessuto osseo), anche per periodi
di tempo prolungati. Le ragioni di questa tolleranza sono probabilmente da
ricercarsi nei meccanismi omeostatici di compensazione e di adattamento.
Questi sono in grado di stabilire un nuovo equilibrio in risposta alle mutate
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condizioni ambientali e fanno della microgravità un valido mezzo per la ricerca
di base.
Anche numerose ed importanti funzioni cellulari risentono spesso
drammaticamente dell’assenza di gravità. Durante le ultime decadi è stato
dimostrato che l’assenza di gravità ha effetti talvolta tremendi sulla biologia di
diversi tipi di cellule coltivate “in vitro”. In Biologia cellulare gravitazionale
viene studiata soprattutto l’influenza che la microgravità esercita su:
- proliferazione e differenziamento (crescita, sviluppo e riproduzione)
- morfologia e motilità
- orientamento e gravi-percezione
- espressione genica
- traduzione del segnale
- metabolismo e biosintesi
- sintesi e riparazione del DNA
Lo studio delle singole cellule nello spazio ha portato non solo a risultati
sorprendenti ma permette anche di stabilire lo stato di determinate funzioni
fisiologiche dell’intero organismo nello spazio.
1.2 Effetti della microgravità sul sistema immunitario
Il volo spaziale costituisce senza dubbio un evento stressante sia sul piano
fisico che sul piano psichico e può incidere fortemente sul sistema immunitario,