Forschen in der Schwerelosigkeit

«Ich dachte, wir stürzen ab»

Oliver Ullrich erforscht, wie Körperzellen auf die Schwerelosigkeit reagieren. In einem Vortrag im Rahmen der Veranstaltungsreihe «Wissen-schaf(f)t Wissen» gab der UZH-Anatomieprofessor Einblicke in die spektakulären Experimente, die er auf Parabelflügen, in Raketen und im Raumschiff durchführt.

Christina Giger

Forschen ohne Schwerkraft: Oliver Ullrich und sein Team während eines Parabelflugs. (Bild: Cora Thiel)

Astronauten leiden häufig unter Infektionen, schlecht heilenden Wunden, Knochenabbau und Rückgang der Muskulatur. Während die sorgfältig selektionierten Raumfahrer auf der Erde so gut wie nie erkranken, scheinen sie die Bedingungen im Weltraum anfälliger zu machen.

Warum ist das so? Mit dieser und weiteren spannenden Fragen über die Rolle der Schwerkraft für das Leben beschäftigt sich Prof. Oliver Ullrich, Direktor des Anatomischen Instituts der UZH. Können Körperzellen die Schwerkraft wahrnehmen? Hätte sich Leben auf der Erde vielleicht ohne Schwerkraft gar nicht entwickelt? Auf der Suche nach Antworten schickt der Forscher Zellen in die Schwerelosigkeit.

Enorme Vorbereitung

Diese Experimente brauchen eine enorme Vorbereitungszeit. Zuerst müssen die optimalen Bedingungen evaluiert und Transportwege simuliert werden, um die Widerstandsfähigkeit der Zellen zu testen. Dafür werden auch erste Versuche im Labor in Apparaten gemacht, die Schwerelosigkeit simulieren. Ein hochspezialisiertes Team aus Technikern, Ingenieuren und Biologen konstruiert spezielle Mini-Labore, Apparaturen und Inkubatoren, in denen die Zellen an Bord eines Raumschiffs, einer Rakete oder eines Flugzeugs gehalten werden können, in denen Schwerelosigkeit herrscht. Auch muss genau überlegt werden, welche Kontrollexperimente nötig sind, damit wirklich nur der Effekt der Schwerelosigkeit gemessen wird.

Parabelflüge, Raketen und Raumschiffe

Je nach Fragestellung müssen die Forscher die Zellen unterschiedlich lange der Schwerkraft aussetzen. Mit sogenannten Parabelflügen erreichen sie für wenige Sekunden den Zustand der Schwerelosigkeit. Dabei werden vor allem anfängliche Reaktionen der Zellen auf die Schwerelosigkeit getestet. Ein Flugzeug mit den Forschern und Mini-Zelllaboren an Bord fliegt hierfür in sechs Kilometern Höhe mit voller Geschwindigkeit geradeaus, bevor es in einem steilen Winkel hochgesteuert wird. Mitten im Steigflug werden die Triebwerke gedrosselt, so dass der Schub nur noch den Luftwiderstand ausgleicht. Das Flugzeug fliegt dann wie ein Ball, den man in die Luft geworfen hat, in einer parabelförmigen Kurve und befindet sich für genau zweiundzwanzig Sekunden in der Schwerelosigkeit.

Im Sturzflug fährt der Pilot die Triebwerke wieder hoch, um das Flugzeug abzufangen und die normale Schwerkraft zu erreichen. Dieses Manöver wird dreissig Mal in Serie wiederholt, um den Forschern genügend Zeit in der Schwerelosigkeit zu bieten. «Bei meinem ersten Flug war ich furchtbar aufgeregt und hatte bei der ersten Parabel das Gefühl, das Flugzeug stürze ab», berichtet Ullrich. «Aber zum Glück habe ich einen stabilen Magen». Das ginge nämlich nicht jedem so. Zwei von zehn Mitfliegenden müssen nach ein paar Parabeln noch an Bord medizinisch versorgt werden.

Um Langzeitveränderungen zu analysieren, müssen die Forscher eine noch länger dauernde Schwerelosigkeit erreichen. Im Esrange Space Center, im einsamen Norden Schwedens starten sie deshalb eine Forschungsrakete, die die Erdatmosphäre verlässt und nach sechs Minuten Schwerelosigkeit mehrere Kilometer vom Abschussort entfernt wieder auf der Erde landet. Die am längsten andauernde Schwerelosigkeit, erreichen die Forscher schliesslich, als sie 2011 ihre Zellen an Bord eines chinesischen Raumschiffs ins All schicken dürfen.

Zellfunktionen ausser Kontrolle

Aus Ullrichs Versuchen ergibt sich, dass Immunzellen unter Schwerelosigkeit Prozesse einstellen, die zur Abtötung von Bakterien essentiell sind. Dies könnte einer der Gründe sein, wieso Astronauten im All anfälliger für Krankheiten sind. Ausserdem verändert sich die Regulierung wichtiger Gene innert Sekundenbruchteilen. Zum Beispiel ist die Zellteilung gestört. Die Veränderungen nehmen bei längerer Schwerelosigkeit jedoch wieder ab, ein Zeichen für die Anpassungsfähigkeit der Zelle. In ersten Untersuchungen aus den Weltraumproben beobachten die Forscher einen enormen Zerfall des Zellskeletts. Dies könnte im Zusammenhang stehen mit dem Knochen- und Muskelabbau, der bei Astronauten im Weltall beobachtet wird.

Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Schwerkraft für die Funktion von bestimmten Zellen notwendig ist. Aber wie kann die Zelle die Schwerkraft wahrnehmen? Es ist bekannt, dass Einzeller die Schwerkraft durch Öffnung von Ionenkanälen registrieren. Pflanzliche Zellen bedienen sich sogenannter «Schwerkörper».

Ob menschliche Zellen ähnliche Mechanismen kennen und wie diese funktionieren, das ist die nächste grosse Frage, die das Team von Oliver Ullrich beantworten will. «Für mich ist es eine Suche nach dem Grundverständnis des Lebens», erklärt der Forscher.

Neben dem Nutzen seiner Forschung für die Weltraummedizin und die Pharmaindustrie, die sich die Ergebnisse über die veränderten Immunantworten zunutze machen könnten, geht es dem Professor vor allem um den Erkenntnisgewinn für die Grundlagenforschung. «Es gibt so viel, was wir noch nicht verstehen. Gerade, wenn man die Welt von oben sieht, merkt man, dass man nur einen Bruchteil je verstehen wird. Man gewinnt Bescheidenheit und Respekt vor den Wundern des Lebens und freut sich daran, wenigstens ein paar Geheimnisse aufdecken zu dürfen.»

Der Vortrag von Oliver Ullrich fand im Rahmen der Veranstaltungsreihe «Wissen-schaf(f)t Wissen» des Zürcher Zentrums für Integrative Humanphysiologie (ZIHP) statt. Das Veranstaltungsprogramm finden Sie hier.

Christina Giger ist wissenschaftliche Koordinatorin am Zürcher Zentrum für Integrative Humanphysiologie (ZIHP) der Universität Zürich.

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