Mikro yerçekimi ve sinir sistemi üzerine etkileri
İremnur Gülten-Afyonkarahisar Sağlık Bilimleri Üniversitesi Tıp Fakültesi 3. Sınıf
Giriş
Kalıcı ve sabit bir etki değerine sahip olan yerçekimi canlılığın başladığı ilk zamandan itibaren canlı yaşamını etkilemiş ve şekillendirmiştir. Günümüzde artan uzay yolculuğu projeleriyse bizlere insan fizyolojisi üzerine yeni bir soru sormaya itmiş durumdadır. Azalan yerçekimi koşulları(mikro yerçekimi) altında insan vücudu nasıl etkilenmekte ve meydana gelen bu değişime karşılık ne tür cevaplar vermektedir? Uzay programlarının başarılı ve sağlıklı sürdürülebilmesi adına bu sorular doğrultusunda çalışmalar başlamıştır. Özellikle merkezi ve periferik sinir sistemi üzerinde yürütülen çalışmalar büyük önem taşımaktadır. Karmaşık ve hala bilinmeyenlerle dolu merkezi sinir sistemi üzerinde yürütülen mikro yerçekimi çalışmaları sadece uzaydaki insan vücudunda meydana gelenleri açıklamakla kalmayarak yeryüzündeki canlıların nöronal ağlarının işleyişini daha iyi anlamamıza da yardımcı olabilecek potansiyeldedir.
Yerçekimi nedir?
Yerçekimi basitçe evrende bulunan dört temel etkileşimden (güçlü etkileşim, zayıf etkileşim, elektromanyetik kuvvet ve yerçekimi) en zayıf olanıdır. Buna rağmen yerçekimi güneş ve dünya gibi yıldızların, gezegenlerin ve diğer gök cisimlerinin oluşumundan sorumludur (Montmerle et al. 2006).
Sinir sistemi
Sinir sistemi, birbirine bağlı temel hücreler olan nöronlardan ve destek hücreleri olan glial hücrelerden oluşan bir sistemdir. Nöronlar arasında yapılan iletişim, elektrokimyasal iletim olarak adlandırılan bir dizi olayla gerçekleştirilir. Kısaca elektrokimyasal iletişim hücrelerin elektriksel özelliklerini değiştirmek için hücre içi ve hücre dışı iyonların modülasyonuna (hücre içi sinyalleşme) ve ileticilerin kontrollü salınmasına (hücreler arası iletişim) dayanır.
Karasal yaşamın hareketliliğine izin veren vestibüler ve görsel sistemlerden gelen duyusal girdiler, propriyosepsiyon duyuları sinir sistemi tarafından işlenir ve anlamlandırılır. Mesela dışarıdan gelen uyarıcıların işlenip adlandırılması sonucu kas innervasyonu yoluyla basit bir postür hareketi veya aktif harekete başlamak için uygun kuvvetler oluşturulur. Ya da spinal refleksler duyusal girdiyle meydana gelen hızlı kas kasılmalarını sağlayan basit nöromüsküler reaksiyonlardır. Hayat, bu sensör-motor yetkinliklerine dayanır.
Sinir sistemi, basitçe kas kasılmasını kontrol ederek yerçekimi kuvvetinin vücut tarafından etkisiz hale getirilmesine ve tipik vücut hareketlerinin kontrol edilmesine olanak tanır.
Mikro yerçekimi nedir?
Mikro yerçekimi, nesnelerin ve canlıların ağırlıksız olarak bulunabildiği ortamdır. Örneğin çeşitli cisimler (astronotlar dahil) uzayda süzüldüğü esnada mikro yerçekiminin etkisi altındadırlar. Mikro yerçekimi, yerçekiminin çok az olduğu yerlerde görülen bir durum olarak nitelendirilmektedir.
Dünya üzerinde mikro yerçekimi
Uzay çalışmaları çeşitli lojistik, finansal ve pratik kısıtlamalar sebebiyle sınırlıdır. Bu sorunları ortadan kaldırarak mikro yerçekimi hakkında yürütülen araştırmaların hızlı ve sistematik ilerleyebilmesini sağlamak amacıyla Dünya üzerinde bu ortamın şartlarını sağlayabilecek alternatif uzay analogları geliştirilmiştir.
Parabolik uçuş
• Geliştirilen analoglar arasında en sık kullanılan, parabolik yaylar çizerek uçuş yaparak 20-25 saniyelik periyotlar halinde mikro yerçekimi koşulları sağlayan KC-135 uçağıdır.
Bir parabolik uçuş (PF) sırasında, KC-135 tarafından uçuş belirli bir yörüngede gerçekleştirilir. Uçağın izlediği rotaya göre normal, hiper ve mikro yerçekimi aşamaları dönüşümlü olarak deneyimlenir. Örneğin uçuş yörüngesi, Mars’ın yerçekimi (0.38 g) ve ay yerçekimi (0.16 g) parabollerini elde etmek için değiştirilebilir. KC-135 genellikle bir görev sırasında 15–30 parabol uçurur. Bir PF, gerçek mikro yerçekimi koşullarını sağlayarak deneylere izin veren tek zemin tabanlı yöntemdir.
Düşüş kuleleri (GRC)
- Mikro yerçekimi araştırmaları için NASA Glenn Araştırma Merkezi (GRC) düşüş kuleleri kurmuştur. Serbest düşme hareketinden yararlanan bu kulelerde çok kısa süreli mikroyerçekimi şartları oluşturulabilmektedir.
Kuru daldırma yönetmi (Dry immersion)
- Kuru daldırma yöntemi, su kütlesinde serbestçe asılı kalan denekte desteksizlik ,vücut sıvılarının merkezileştirilmesi ve hipokinezi dahil olmak üzere gerçek mikro yerçekiminin fizyolojik etkilerini sağlayarak gerçekleştirilen bir analogdur. Söz konusu olan deneğin ıslanmaması için elastik su geçirmez bir kumaş kullanılarak termo-nötr suya batırmayı içerir. Böylelikle suyla temas engellenmiş olur.
Baş-aşağı eğik yatak istirahati (head-down tilt bed rest, HDBR)
- Baş aşağı yatak istirahati (HDBR) en çok uygulanan uzay analoğudur. HDBR sırasında, bir denek baş aşağı eğimli bir yatakta (çoğu durumda 6 °) tipik olarak 1 hafta, 1 ay veya daha uzun bir süre boyunca uzanır. Bu HDBR, sefalik sıvı kaymasına neden olur ve yatakla mutlak kısıtlama, hareketsizliği, izolasyonu ve aktivitelerin monotonluğunu kopyalar. Ancak yerçekimi ve vestibüler girdi kalır.
Mikro yerçekimi ve canlı yaşamı üzerine etkileri
Yeryüzünün gelişim süreçleri incelendiğinde güneş ışınımı, sıcaklık, nem gibi birçok özelliğin değişime uğrayarak şu anki halini aldığı gözlemlenmiştir. Fakat bu saydığımız parametreler arasında bulunan yerçekimi gezegenimizin son oluşum aşamalarından itibaren sabit kalmıştır. Bu nedenle gelişen canlı yaşamı 1-g kuvvetine denk gelen yerçekimi koşullarına adapte olarak gelişmiştir. Kalıcı ve sabit olan yerçekimi etkisine karşılık olarak canlılar yerçekimine karşı duyarlı sistemler ve mekanizmalar geliştirmişlerdir. Bu nedenle yerçekimi koşullarında meydana gelen değişimin canlı organizmalar üzerindeki etkisi büyük bir merak konusudur.
Artan sayıda uzay uçuşları, uyduları ve uzay istasyonlarını korumak için yörüngedeki astronotların kalıcı hale gelmesi yapılan araştırmaların dikkatini özellikle kemik, iskelet kası ve beyin üzerinde değişen yerçekiminin sonuçlarına yönlendirmiş bulunmaktadır.
Uzun süre mikro yerçekimi etkisi altında kalındığında kalça kemiği, bel omur kemikleri ve alt ekstremite elemanları gibi ağırlık binen kemiklerde kütle azalması tespit edilmiştir. Bunlara ek olarak da mikro yerçekimi sonucu fleksör ve ekstensör kaslarında kas hacminin azaldığı gözlemlenmiştir. (Lambertz ve ark.,2001) Yapılan araştırmalar özellikle yer çekimi etkisinden gözle görülür biçimde etkilenen kas-iskelet sistemi üzerine odaklanmış olsa da uzay uçuşunun merkezi sinir sistemi üzerindeki etkileri de öncelikli olarak araştırılmaktadır.
Kesin bir sonuca varılmamış olsa da yerçekiminde meydana gelen değişimlerin, sinir sistemi üzerinde moleküler seviyeden tüm sinir sistemi elemanlarına kadar geniş bir alanda ve farklı seviyelerde etkisi olduğu anlaşılmıştır.
Hücresel düzeyde yürütülen incelemeler
Yapılan çalışmalarla birlikte mikro yerçekimi ortamından en çok etkilenen sinir sistemi elemanlarının serebellum, vestibüler yollar ve kortikal sensorimotor olduğu anlaşılmıştır.
Mikro yerçekiminin sinir sistemini nasıl ve ne ölçüde etkilediğini anlamak adına yapılan en önemli araştırmalardan biri hücresel düzeyde yapılan incelemeler olmuştur. Bu incelemeler in vivo ve in vitro olarak yapılmıştır.
İyon kanalı ve membran yapısıyla ilgili parametreler, aksiyon ve dinlenme potansiyeli incelenen özelliklerden birkaçıdır.
İyon kanalları nöronlar arası iletişimde önemli bir konuma sahip olduğundan dolayı yapılan incelemeler iyon kanallarının açılıp kapanma mekanizmaları üzerinden yürütülmüştür. Açık veya kapalı durum olasılığı incelemeleri E.coli üzerinde yapılmıştır. Mikro yerçekimi ortamında E.coli kanallarının kapalı bulunma olasılığının arttığı gözlemlenmiştir. Gözlenen bu kapalı durum artışının geri döndürülebildiği teyit edilmiştir. Bu değişen parametrenin hücrelerarası iletişimi ne ölçüde etkilediği de araştırma konularına eklenmiştir.
Protein ve lipitlerden oluşan karmaşık yapılı hücre membranının değişimiyle ilgili çalışmalardaysa viskozite ve iyon kanallarının viskoziteye bağımlı olup olmama durumları incelenmiştir. Mikro yer çekemi koşullarına maruz kalan hücre zarı normalden çok daha akışkan bir konuma gelmektedir. Yani viskozitesi azalmaktadır. İlerleyen çalışmalardaysa mikro yerçekimi koşulları altında, membran viskozitesi azalır yani akışkanlık artar. Bu değişen membran viskozitesi, iyon kanallarının açık durum olasılığının azalmasıyla ilişkilendirilmektedir.
Dinlenme ve aksiyon potansiyellerine baktığımızda belli bir neden sonuç ilişkisiyle karşılaşırız. Mikro yerçekimi altında dinlenme potansiyeli birkaç milivolt seviyesinde depolarize hale gelir. Bu sayede dinlenme potansiyelinin biraz artmasıyla nöronlar aksiyon potansiyeline daha kolay (AP) ulaşabilir hale gelirler. Bu nedenle mikro yerçekimi altında sinir nöronlar daha kolay aksiyon potansiyeline ulaşama şansına sahiptirler.
Çalışmaların geleceği
Başta da belirtildiği gibi uzay ve başka gezegenler her ne kadar uzak bir gelecekte olsa dahi potansiyel yaşam alanları grubunda bulunmaktadırlar. Hatta turizm tarzı yeni alanlar çok daha yakın gelecekte söz konusu hale gelebilirler. Günümüzde yürütülen -mikro yerçekimi başta olmak üzere- uzay ortamındaki fizyolojik değişimler geleceğe hazırlık olacağı kadar şu an bulunan hareket ve nörolojik bozuklukların detaylıca aydınlatılmasına da yardımcı olabilir. Mikro yerçekimi üzerinde yapılan araştırmalar günümüz için küçük fakat gelecek için büyük bir adım olarak bulunmaktadır.
Kaynakça
Florian P. M. Kohn, R. R. (2017, Haziran 27). Gravity and neuronal adaptation, in vitro and in vivo—from neuronal cells up to neuromuscular responses: a first model. European Biophysics Journal volume, 47, 97-107. doi:10.1007/s00249-017-1233-7
Florian P.M. Kohn, C. K. (2018). The Effect of Gravity on the Nervous System. Into Space – A Journey of How Humans Adapt and Live in Microgravity, 87-98. doi:10.5772/intechopen.74715
Jun Chena, R. L. (2015, Kasım 14). The simulated microgravity enhances the differentiation of mesenchymal stem cells into neurons. Neuroscience Letters, 505(2), 171-175. doi:10.1016/j.neulet.2011.10.014
(2020).Microgravity. NASA.