私たちの日常生活に深く根付いていて、おそらくほとんど意識することのない力があります。それが重力です。重力とは、質量を持つ物体同士に引力を生じさせる力です。ペンを落とすと地面に落ちるのはそのためです。ただし、重力は物体の質量に比例するため、惑星のような大きな物体だけが目に見える引力を生み出します。そのため、従来の重力研究は惑星のような巨大な物体に焦点を当ててきました。
しかし、初期の有人宇宙ミッションによって、生物システムに対する重力の影響についての考え方は一変しました。重力は私たちを地面につなぎ留めるだけではありません。体の最も微細な働きにも影響を及ぼします。より長期の宇宙ミッションが見込まれる今、研究者たちは重力の欠如が私たちの生理機能に何を意味するのか、そしてその影響をどう補うのかを解明しようとしています。
重力の束縛から解き放たれて
探検家が宇宙へ行くまで、地球上の生物が微小重力環境で過ごしたことはありませんでした。
科学者たちは、帰還した宇宙飛行士の身長が伸び、骨量と筋肉量が大幅に減少していたことを観察しました。関心を抱いた研究者たちは、重力が生理機能に及ぼす影響を評価するため、動物や宇宙飛行士の血液と組織のサンプルを宇宙旅行の前後で比較し始めました。国際宇宙ステーションの、ほぼ無重力の環境にいる宇宙飛行士兼科学者たちは、細胞が宇宙でどのように成長するかを調べ始めました。
ただし、この分野の実験の大半は、模擬微小重力を用いて地上で行われています。細胞などの物体を遠心分離機で高速回転させると、重力が弱まった状態を作り出せます。
私たちの細胞は、重力のある世界の力に対処できるよう進化してきました。重力の影響から突然解放されると、奇妙なことが起こり始めます。
細胞レベルで力を感知する
重力に加えて、体内の状態が変化するにつれて、細胞には張力やせん断応力など、さまざまな力が作用します。
細胞には、こうした力を感知する仕組みが必要です。広く受け入れられている仕組みの一つが、機械感受性イオンチャネルと呼ばれるものです。これらのチャネルは細胞膜にある孔で、特定の荷電分子を細胞内外に通し、感知した力に応じて分子の出入りを調節します。
細胞膜にあるチャネルは門番のように働き、特定の刺激に応じて開閉し、分子を細胞内に取り込んだり、細胞外へ出したりします。Efazzari、CC BY-SA
この種の機械受容体の例として、ほぼすべての細胞に見られるPIEZOイオンチャネルがあります。体内の位置に応じて、触覚や痛覚を調整します。たとえば腕をつねると、感覚ニューロンにあるPIEZOイオンチャネルが活性化し、ゲートを開くよう指示します。マイクロ秒単位でカルシウムなどのイオンが細胞内に入り、腕がつねられたという情報を伝えます。一連の反応の結果、腕を引っ込めます。このような力の感知は非常に重要です。細胞が環境の変化に素早く反応できるからです。
重力がないと、機械感受性イオンチャネルに作用する力の均衡が崩れ、イオンの動きに異常が生じます。イオンは多くの細胞活動を調節しています。必要なときに必要な場所へ移動しなければ、細胞の働きは乱れます。タンパク質合成や細胞代謝にも支障が出ます。
重力のない環境での生理機能
過去30年間、研究者たちは、微小重力が特定の種類の細胞や体のシステムに及ぼす影響を注意深く解明してきました。
- 脳：1980年代以降、科学者たちは重力がないと上半身に血液が多くとどまり、その結果、脳内の圧力が高まることを観察してきました。最近の研究によると、この圧力上昇によって神経伝達物質の放出が減少します。神経伝達物質は、脳細胞が情報をやり取りするために使う重要な分子です。この知見を受け、帰還した宇宙飛行士に見られる一般的な認知機能の問題、たとえば学習困難についての研究が進められています。
- 骨と筋肉：宇宙の無重力状態では、厳しい運動プログラムをこなす宇宙飛行士でさえ、月に1％を超える骨量減少が起こることがあります。現在、科学者たちはゲノミクス（DNA配列の研究）やプロテオミクス（タンパク質の研究）の進歩を活用し、重力が骨細胞の代謝をどのように調節するかを明らかにしようとしています。重力がないと、骨形成を担う種類の細胞の働きが抑制されることが分かっています。同時に、骨を分解する細胞は活性化します。その結果、骨量の減少が加速します。研究者たちは、こうした過程を制御する主要な分子も特定しています。
- 免疫：宇宙船は外来生物の持ち込みを防ぐため、厳格な滅菌処理が施されます。それにもかかわらず、アポロ13号のミッション中に、日和見病原体が宇宙飛行士のフレッド・ヘイズ氏に感染しました。この細菌、緑膿菌は通常、免疫機能が低下した人にしか感染しません。この出来事をきっかけに、免疫系が宇宙にどう適応するのかへの関心が高まりました。宇宙飛行士の宇宙ミッション前後の血液サンプルを比較したところ、重力の欠如によってT細胞の機能が弱まることが分かりました。これらの特殊な免疫細胞は、風邪から命に関わる敗血症まで、幅広い病気と闘う役割を担います。
重力の欠如を補う
NASAをはじめとする宇宙機関は、人類がより遠くまで宇宙を旅できるよう備えるための戦略を支援する投資を行っています。その重要な課題の一つが、微小重力に耐える方法を解明することです。
重力の欠如を補う現在最善の方法は、運動によって別の形で細胞に負荷をかけることです。宇宙飛行士は通常、健康な血液量を保ち、骨量と筋肉量の減少を抑えるため、毎日少なくとも2時間、ランニングやウェイトトレーニングを行います。残念ながら、厳しい運動をしても宇宙飛行士の健康状態の悪化を遅らせることしかできず、完全に防ぐことはできません。
研究者たちは、サプリメントも調査しています。大規模なゲノミクス研究とプロテオミクス研究を通じて、科学者たちは重力の影響を受ける特定の細胞と化学物質の相互作用を特定できるようになりました。重力が、成長、分裂、移動といった細胞プロセスを制御する重要な分子に影響することも、今では分かっています。たとえば、国際宇宙ステーションで微小重力下で育てたニューロンでは、運動や視覚を制御する神経伝達物質GABAの受容体のうち、ある種類の数が少なくなっています。GABAを追加すると機能は回復しましたが、その正確な仕組みはまだ明らかになっていません。
NASAはまた、宇宙食にプロバイオティクスを加えることで宇宙飛行士の消化器系と免疫系を強化し、微小重力の悪影響を抑えられるかどうかも評価しています。
宇宙旅行の黎明期、最初の課題の一つは、ロケットが地球の引力を振り切って飛び立てるよう、重力をどう克服するかを解明することでした。今の課題は、特に長期の宇宙飛行において、重力がないことによる生理的影響をどう補うかです。
