Lewitujące muszki – symulacja mikrograwitacji na Ziemi

0

Czy można wytworzyć siłę znoszącą ziemską grawitację lub znacznie ją wzmacniającą? Przy użyciu lewitacji diamagnetycznej można i pozwala to na wykonywanie eksperymentów na organizmach żywych, w których wymagane są warunki mikrograwitacji lub zwiększonej wartości przyspieszenia ziemskiego. Sposób ten wykorzystano do badania zachowania muszek owocówek pod wpływem różnych wartości siły ciążenia bez wysyłania ich w kosmos.

Wytworzenie sztucznych warunków mikrograwitacji na Ziemi, w celu badań organizmów żywych może wydawać się trudne i kosztowne, a także obwarowane wieloma ograniczeniami. Największym z nich jest czas trwania eksperymentów – w trakcie spadku swobodnego (loty paraboliczne) stan nieważkości utrzymuje się tylko przez 20 sekund, co nie pozwala na przeprowadzenie badań nad złożonymi reakcjami organizmów żywych w tych warunkach.

Przy użyciu nadprzewodzących magnesów i pól magnetycznych rzędu 16T, naukowcy z University of Nottingham wytworzyli sztuczną siłę, przeciwstawiającą się lub zwiększającą ziemską grawitację. Pozwoliło to na badanie zachowania muszek owocówek w warunkach zbliżonych do 0g, 1g oraz 2g. (W eksperymencie brała udział dodatkowa grupa kontrolna nie znajdująca się w polu magnetycznym, poddana normalnemu przyspieszeniu ziemskiemu).

Elektromagnesy o bardzo dużych wartościach indukcji (od 10T) odpychają od siebie materiały diamagnetyczne. Do takich obiektów zalicza się przede wszystkim woda, ale także wiele białek (w tym DNA) znajdujących się w organizmach żywych. (Same muszki owocówki składają się w 70% z wody). W ten sposób, siła magnetyczna oddziałuje na organizm „od podstaw”, czyli poziomu elementów składowych komórek lub białek tworzących ciało. Odpowiednie natężenie i ustawienie według linii działania sił pola, pozwalają na wytworzenie warunków mikrograwitacji, zwykłego ciążenia lub przeciążenia. Wartości w eksperymencie były przybliżone, naukowcy jako wyznacznik siły ciążenia wykorzystali wodę – a muszki owocówki składają się nie tylko z niej – jednak błędy w przypadku tego eksperymentu są pomijalne, ponieważ badano wpływ wartości ciążenia na zachowanie osobników.

Muszki znajdowały się w niewielkich, cylindrycznych pojemnikach o średnicy 25 milimetrów i głębokości 10 milimetrów (Połączonych ze sobą w większym cylindrze. Tam także znajdowało się pożywienie). Na osobniki znajdujące się pod wpływem 1g działało pole magnetyczne o wartości 16,5 T. W przypadku 0g i 2g pole równe było 11,5 T.

Tak silne pola mogą oddziaływać na niektóre z białek wewnątrz organizmu, jednak najprawdopodobniej nie miały one wpływu na wyniki eksperymentu. Dowodem jest porównanie zachowania się grupy umieszczonej w największym polu magnetycznym i grupy kontrolnej, poza elektromagnesem. Okazało się, że muszki w obu przypadkach (1g) zachowywały się podobnie. Dodatkowym potwierdzeniem braku wpływu na wyniki eksperymentu są badania przeprowadzone wcześniej na ISS, w trakcie których muszki zachowywały się podobnie w warunkach 0g.

Wyniki obserwacji wskazują na pewną prawidłowość w zachowywaniu się muszek. Osobniki w stanie nieważkości poruszały się z większą prędkością, były bardziej aktywne i przebyły znacznie większą odległość niż owady z pozostałych próbek. Jak łatwo się domyślić, „najleniwsze” okazały się organizmy poddane przeciążeniu 2g.

Zdjęcie z artykułu przedstawia drogę przebytą przez muszki, monitorowaną w odstępach 33-sekundowych. Każde z ujęć przedstawia muszki na początku ruchu, niebieskie kropki to umiejscowienie główki. Warto spojrzeć na zachowanie się owadów w warunkach przeciążenia, gdzie trajektorie ich ruchu są najmniejsze.

Podobnie z prędkością przekraczającą prędkość średnią i prawdopodobieństwem ruchu – wśród muszek znajdujących się w stanie nieważkości było to najczęstsze.

{youtube}AFXBD_HODLs{/youtube}

Film przedstawia obserwacje zachowywania się muszek owocówek w przypadku różnych wartości działających na nie sił – od 0g do 2g. Wartości z gwiazdkami „*” oznaczają wytwarzanie sztucznych przyspieszeń za pomocą pola magnetycznego. Wartość 1g w prawym dolnym rogu filmu to grupa kontrolna. Credits: The Royal Society

Podobne badania, przeprowadzone na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, nie pozwoliły na tak wyraźne rozgraniczenie między zachowaniem się owadów w 0g i 1g. Mimo iż część osobników była zamykana w centryfudze wytwarzającej 1g, na piętnastominutowy czas zdjęć przenoszone były do pomieszczeń, gdzie panowały warunki 0g. W ten sposób zachowanie się jednych i drugich osobników stawało się podobne (niezwykła aktywność).

Dlaczego muszki zachowywały się w taki sposób? Najprostsze i najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie daje mechanika – układ ruchu organizmów nie musiał przeciwstawiać się sile ciążenia, energia wydatkowana na przemieszczanie się znacznie spadała. Z drugiej strony, muszki poddane przeciążeniom rzędu 2g, musiały pokonać znacznie większe opory.

Innym wyjaśnieniem przyspieszenia ruchu muszek mogą być zmysły odpowiedzialne za odczuwanie siły grawitacji. Kiedy owady wyczuły zmniejszenie działającej na nie siły, automatycznie przyspieszyły.

Co takie eksperymenty mogą przynieść w przyszłości? Przede wszystkim możliwość dokładnego przygotowywania kolejnych badań, które mają odbyć się np.: na pokładzie ISS. Kolejnym plusem wykorzystywania elektromagnesów i własności diamagnetyków jest niska cena (w porównaniu do lotów kosmicznych) i możliwość przeprowadzania dłuższych obserwacji (w porównaniu do lotów parabolicznych i spadku swobodnego). Jedynym minusem jest brak możliwości badania większych ciał, przede wszystkim organizmu człowieka. (Choć jest to kompensowane poprzez podobieństwo niektórych czynności, zachowań i reakcji wewnątrz organizmu wśród wszystkich istot żywych).

Źródło:

Richard J. A. Hill, Oliver J. Larkin, Camelia E. Dijkstra, Ana I. Manzano, Emilio de Juan, Michael R. Davey, Paul Anthony, Laurence Eaves, F. Javier Medina, Roberto Marco, Raul Herranz; Effect of magnetically simulated zero-gravity and enhanced gravity on the walk of the common fruitfly; Journal of The Royal Society

Share.

Comments are closed.