Mit 17 Experimenten bestückt wird SIMBOX an Bord von Shenzhou 8 in den Orbit fliegen. Während das Raumschiff an der chinesischen Raumstation Tiangong 1 angedockt ist, werden in ihr verschiedene biologische Phänomene untersucht.
Ein Beitrag von Simon Plasger. Quelle: DLR, EADS Astrium.
Sie ist nur 25 kg schwer und hat nur ein Volumen von 34 Litern – trotzdem wird mit dem deutsch-chinesischen Inkubator SIMBOX große wissenschaftliche Arbeit geleistet werden. Zehn chinesische und sechs deutsche Experimente sowie ein weiteres in Kooperation werden dazu beitragen, neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen. In insgesamt 40 Kistchen, die jeweils ungefähr die Größe einer Zigarettenschachtel haben, werden verschiedene Zellen untersucht. Erforscht werden soll unter anderem die Auswirkung der Schwerelosigkeit auf das Immunsystem des Menschen und das „Oben/Unten-Empfinden“ von Pflanzen. Einige Kisten sind dabei der Schwerelosigkeit ausgesetzt, andere befinden sich in einer Zentrifuge, welche die Erdschwerkraft simuliert.
Bildung von Natriumkanälen in menschlichen Zellmembranen unter Schwerelosigkeit
Die Informationsverarbeitung im zentralen Nervensystem des Menschen beruht auf sogenannten Spannungspotentialen, welche entstehen, wenn ein Reiz auf eine Zelle trifft. Dabei werden diese Reize durch die Zellmembran transportiert. Dies geschieht durch Natriumkanäle, Kanäle mit einer erhöhten Leitfähigkeit für Natrium-Ionen. Mithilfe des Experiments der Universität Hohenheim soll nun untersucht werden, wie sich die Bildung von Natriumkanälen in der Schwerelosigkeit von denen auf der Erde unterscheidet. Dazu wurden Zellen von menschlichen Hirntumoren durch chemische Eingriffe in Zellen umgewandelt, die denen des Nervensystems ähneln.
Zu Beginn des Experiments sind in den Zellen keine Natriumkanäle enthalten. Der Vorgang der Entstehung dieser Kanäle wird von Wissenschaftlern an Zellen, die der Schwerelosigkeit ausgesetzt sind, untersucht. Nach der Landung und erfolgter Bergung werden diese Proben mit solchen aus der Zentrifuge und Referenzobjekten, die am Boden geblieben sind, verglichen.
Wie beeinflusst die fehlende Schwerkraft menschliche Krebszellen?
Diese Frage haben sich Forscher der Universität Magdeburg gestellt. Um sie zu beantworten, fliegen an Bord von Shenzhou 8 menschliche Schilddrüsenkrebszellen mit, welche bereits bei Parabelflügen in sehr kurzer Zeit fehlender Schwerkraft Reaktionen gezeigt haben. So wurde unter anderem eine erhöhte Sterblichkeitsrate der Zellen festgestellt, aber auch die Zellstruktur veränderte sich. Es gibt außerdem Hinweise darauf, dass unter simulierter Schwerelosigkeit drei-dimensionale Gebilde (Sphäroiden) entstehen. Diese wird durch sogenannte Klinostaten erzeugt, welche durch unregelmäßige Drehung der Proben bewirkt, dass die Erdschwerkraft für sehr kurze Zeiten aus den verschiedensten Richtungen auf die Zellen wirkt.
Mit den Proben im SIMBOX-Experiment sollen die verschiedenen Phänomene genauer untersucht werden. So können beispielsweise Erkenntnisse über die Entstehung von Sphäroiden dazu genutzt werden, diese gezielt zu erzeugen. An ihnen könnten dann Anti-Tumor-Medikamente getestet werden, ohne dass Tierversuche durchgeführt werden müssten.
Die Schwächung des Immunsystems in der Schwerelosigkeit
Auf vielen bemannten Raumfahrtmissionen wurde bereits beobachtet, dass das menschliche Immunsystem bereits nach kurzer Zeit nicht mehr die Leistung erbringen konnte, die von ihm auf der Erde erwartet wurde. Auch auf Parabelflügen und Höhenforschungsraketen konnte festgestellt werden, dass viele wichtige Angriffsfunktion der sogenannten Fresszellen (Makrophagen) ausfielen und diese Zellen Moleküle verloren, die für die Kommunikation mit anderen Zellen unabdingbar waren. Außerdem kamen die inneren Steuerungsmechanismen schnell durcheinander.
Im SIMBOX-Experiment der Universität Magdeburg soll nun untersucht werden, wie stark sich diese Fresszellen nach längerer Zeit in der Schwerelosigkeit verändern. Welche Funktionen sind auch nach mehreren Tagen noch erfüllt? Können sich die Fresszellen auf die fehlende Schwerkraft anpassen und ihre Funktion wiederherstellen? Die Antworten auf diese und weitere Fragen kann die bemannte Raumfahrt in vielen Schritten weiterbringen und auch Grundsteine für längere Raumfahrtmissionen zu entfernteren Zielen wie Mars und verschiedenen Asteroiden legen.
Wie reagieren Pflanzen auf sich verändernde Schwerkraftfelder?
Pflanzen benötigen eine ausgeprägte Wahrnehmung von „oben“ und „unten“, um die korrekte Ausrichtung von ihren Bestandteilen sicherzustellen. Beispielsweise müssen Blüten in Richtung Sonne zeigen, um genug Energie aufnehmen zu können. Dafür besitzen Pflanzen bestimmte Mechanismen, welche eine solche Orientierung mithilfe der Schwerkraft vornehmen können. Diese wirken jedoch nicht nur bei kompletten Pflanzen, sondern auch auf Zellebene.
Am Beispiel von Zellkulturen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) wird im Rahmen von SIMBOX nun untersucht, wie Pflanzen auf sich verändernde Schwerkraftfelder reagieren. Aus vorhergehenden Untersuchungen ist bekannt, dass sich die Zellen bereits nach wenigen Sekunden verändern. An Bord von Shenzou 8 sollen nun die Auswirkungen von längerer Schwerelosigkeit untersucht werden. Um die Auswirkungen zu untersuchen, werden die Genexpressionen (Ausprägung des Erbbildes) der Zellen mit identischen Objekten verglichen, die auf der Erde zurückgeblieben sind. Das Experiment wurde von der Fakultät für Biologie an der Universität Tübingen entwickelt.
Pflanzenwachstum unter Schwerelosigkeit
Viele Pflanzen richten ihr Wachstum nach der Schwerkraft aus, so dass ein Wegfall dieser eine Änderung im Wachstumsvorgang bedeutet. Dieser Vorgang wurde bereits auf der Internationalen Raumstation ISS am Beispiel der Ackerschmalwand untersucht, wobei herausgefunden wurde, dass das Pflanzenhormon Auxin eine erhebliche Rolle in diesem Prozess spielt.
An Bord von SIMBOX werden nun fünf Tage alte Keimlinge der Pflanze sowie solche einer Mutante, deren Schwerkraftwahrnehmung wahrscheinlich im Auxin-Signalweg gestört ist, gestartet. Nach der Landung wird das Erbbild der Pflanzen untersucht. Man erhofft sich von diesem Experiment der Universität Freiburg eine genauere Aufklärung der Signalverarbeitung beim schwerkraftorientierten Wachstum von Pflanzen.
Ein Ökosystem in einer Zigarettenschachtel
In einem Ökosystem benötigen Tiere Sauerstoff und produzieren als Abfallprodukt Kohlenstoffdioxid. Pflanzen hingegen benötigen dieses Gas für ihre Wachstumsvorgänge und geben als Abfallstoff Sauerstoff ab. Dieser Prozess kann auch für zukünftige Missionen nützlich sein, so können beispielsweise größere Gärten an Bord des Raumschiffes betrieben werden, um die Besatzung mit Sauerstoff zu versorgen und das Kohlenstoffdioxid aus der Bordatmosphäre zu filtern.
An Bord von SIMBOX soll ein Experiment, welches in Kooperation zwischen Deutschland und China betrieben wird, ein geschlossenes Miniökosystem aus Algen und Schnecken untersuchen. Während des Flugs und nach der Landung werden die Algenpopulationen aus dem Orbit mit solchen in einem Kontrollexperiment auf der Erde verglichen. Ziel ist es, weitere Erkenntnisse über den Einfluss der Schwerkraft und Weltraumstrahlung auf die Zellen zu gewinnen.
Wie orientieren sich Augentierchen in der Schwerelosigkeit
Augentierchen orientieren sich auf der Erde mithilfe der Schwerkraft und des Lichtes. Diese beiden Umgebungsmerkmale nutzt die Euglana gracilis genannte Süßwasseralge, um in Wasserschichten mit optimalen Lichtverhältnissen für die Photosynthese zu gelangen.
(Bild: Dr. Michael Lebert)
Bereits vor längerer Zeit wurden verschiedene Moleküle identifiziert, die für die Wahrnehmung dieser beiden Parameter wichtig sind. Auch konnte nachgewiesen werden, dass sich die Augentierchen nach längeren Raumflügen nicht mehr optimal an der Schwerkraft orientieren konnten. Mit dem SIMBOX-Experiment sollen die Orientierungsmechanismen des Einzellers besser erforscht werden als dies bisher möglich war.
Zu den letzten beiden genannten Experimenten und möglichen Folgeprojekten führte Raumfahrer.net ein Interview mit dem leitenden Wissenschaftler Dr. Michael Lebert von der Universität Erlangen-Nürnberg.
Raumfahrer.net: Wie sind die Ideen für die Experimente, die Sie in der Präsentation erwähnt haben, entstanden? Und warum wurden gerade diese beiden für SIMBOX ausgesucht?
Dr. Lebert: Der Auswahlprozess läuft natürlich beim DLR, wir reichen nur Projektvorschläge ein. Beide Projekte, die ich eingereicht habe, waren auf der Basis von aktueller Forschung dort, wir hatten zu dem Zeitpunkt gerade angefangen zu verstehen, wie die Zelle Euglena gracilis in der Lage ist, Schwerkraft wahrzunehmen und wir waren unglaublich daran interessiert, was denn eigentlich passiert, wenn die Schwerkraft nicht da ist, also was passiert da auf molekularem Niveau. Wir arbeiten seit 1995 an diesen Minilebenssystemen und das hat sich einfach angeboten, die Gelegenheit war zunehmen und zu schauen, wie klein man das eigentlich bauen kann. Und eine Zigarettenschachtel ist schon sehr klein.
Raumfahrer.net: Es gibt nun ja schon Planungen für Nachfolgemissionen von SIMBOX. Soll es da auch wieder Experimente von der Universität Erlangen-Nürnberg geben.
Dr. Lebert: Das müssen Sie das DLR fragen. Wir werden auf jeden Fall einen Projektvorschlag einreichen, inwiefern wir unser Experiment weiterführen können. Das nächste große Projekt ist allerdings auf dem Bion-Satelliten, welcher über vier Wochen fliegt. Das ist dann allerdings ein wesentlich größeres System mit einem Volumen von insgesamt fünf Litern reine biologische Masse, womit man ganz anders arbeiten kann. Das soll aber nicht heißen, dass die kleinen Systeme keinen Sinn haben. Ich muss gestehen, dass wir über dieses kleine System über unser großes System viel mehr gelernt haben, als wir je erwartet haben.
Raumfahrer.net: Was ist bei dem Bion-Satelliten genau für ein Experiment geplant?
Dr. Lebert: Es ist eine Art Lebensraum geplant, wo es eine Interaktion zwischen Fischen, kleinen Wasserflöhen, Algen und höheren Pflanzen gibt. Dort werden dann sämtliche Parameter, von denen wir wissen, dass sie eine Rolle spielen, aufgenommen und gespeichert und können später ausgewertet werden. Gleichzeitig können wir auch die Organismen aufnehmen und wir können die Fotosynthese, also die Lichtenergiespeicherung der Pflanzen und Algen untersuchen.
Raumfahrer.net: Vielen Dank!
Neben den genannten deutschen Experimenten fliegen auch 10 weitere von chinesischen Universitäten mit. Über die genaueren wissenschaftlichen Ziele dieser Untersuchung werden wir wenn möglich im Verlauf des Fluges berichten.
SIMBOX soll am 31. Oktober 2011 um 23:00 Uhr MEZ (1. November 6:00 Uhr Ortszeit) an Bord der Kapsel Shenzhou 8 auf einer Trägerrakete von Typ Langer Marsch 2F zur Raumstation Tiangong 1 starten. Über den weiteren Verlauf dieser spannenden Mission werden wir Sie natürlich auf dem Laufendem halten.
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