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Osteoblasti, osteoclasti e salute delle ossa

Le reazioni metaboliche del nostro organismo si possono grossolanamente suddividere in cataboliche e anaboliche. Nelle prime, si verifica una distruzione di tessuti finalizzata a produrre energia. Mentre nelle seconde si usa energia per sintetizzare e riparare i tessuti stessi. Fino ai 30-40 anni di età sulla Terra il nostro corpo vive in una condizione di equilibrio tra catabolismo e anabolismo. Con il passare degli anni iniziano a prevalere le reazioni cataboliche che portano ad una progressiva riduzione della massa muscolare e ossea. Negli astronauti, indipendentemente dall’età, la vita nello spazio stimola il catabolismo accelerando di molto la distruzione del tessuto osseo e muscolare.

In questo video l’ astronauta ESA Andreas Mogensen ci mostra come la salute delle ossa degli astronauti sia studiata anche ben prima della partenza per la Stazione Spaziale:


Nel caso dell’osso esistono cellule diverse deputate a sintetizzare osso e a riassorbirle, dette rispettivamente osteoblasti e osteoclasti. Sulla Terra, così come nello spazio, una nutrizione corretta e un piano di esercizio fisico completo possono contribuire a stimolare le risposte anaboliche. Va ricordato che l’attività fisica di per sé ha un effetto catabolico sull’organismo e che è tramite il recupero e l’introduzione di alimenti che si attiva la risposta anabolica che porta al miglioramento della prestazione e all’aumento della massa muscolare e ossea.

Esiste, quindi, una sinergia fondamentale tra attività fisica, recupero e nutrizione sia sul piano quantitativo che qualitativo. Per esempio, è fondamentale la tempistica dell’introduzione di alimenti rispetto all’attività fisica. Non assumere alimenti immediatamente dopo lo sforzo non permette di attivare la risposta anabolica e rischia di far diventare l’allenamento controproducente.

Dr. Filippo Ongaro

Per saperne di più: www.filippo-ongaro.it/

Osteoporosi | Una cosa da ragazzi

21/05/2015

Illuminazione e gestione dell’energia

La luce è la sorgente di energia utilizzata dalla piante per la fotosintesi clorofilliana, ovvero il processo che consente alla pianta di “nutrirsi” e crescere, producendo al contempo ossigeno che viene liberato nell’aria. Le piante per vivere hanno quindi bisogno di luce e questo è vero sulla Terra come nello Spazio. La differenza fondamentale della crescita di piante nello Spazio sta nel fatto che la luce solare non è immediatamente fruibile come sulla Terra, o perché è eccessiva, come nei sistemi orbitali dove è quella diretta proveniente dal Sole (che è circa tre volte superiore alla massima che colpisce il suolo alle nostre latitudini), o perché non disponibile (come potrebbe essere nell’ambiente all’interno di navicelle spaziali o in serre planetarie schermate contro le radiazioni), o perché è molto ridotta a causa della maggiore distanza dal Sole e delle diverse condizioni ambientali presenti sugli altri pianeti.

 Sistema di illuminazione a fibre ottiche integrato in un sistema capace di convertire la radiazione solare per ottenere luce, energia termica ed energia elettrica

Sistema di illuminazione a fibre ottiche integrato in un sistema capace di convertire la radiazione solare per ottenere luce, energia termica ed energia elettrica

Basta pensare ai diversi cicli giorno/notte (sulla Luna le notti durano circa 2 settimane), alle grandi tempeste di sabbia su Marte (che schermano la luce e la cui di durata non è prevedibile), all’assenza di un atmosfera come quella terrestre, che filtra o attenua le componenti dannose della luce solare. Tutto ciò fa sì che le piante non ricevano la luce nel modo in cui sono “abituate” sulla Terra, rendendo molto complicato, se non impossibile, la loro crescita.

Attualmente sono in fase di studio diversi sistemi che utilizzano la luce solare per illuminare le serre spaziali. Tali sistemi, più o meno complessi, utilizzano degli specchi parabolici, o altre tipo di ottiche, che concentrano i flussi luminosi in fibre ottiche che portano e distribuiscono la luce all’interno delle serre (Fig.1 e Fig.2). Tuttavia, per quanto detto, le prestazioni di tali sistemi sono direttamente legate alle condizioni ambientali e non risolvono completamente i problemi descritti precedentemente. L’indisponibilità totale o ridotta di luce naturale porta quindi alla necessità di progettare e realizzare degli impianti di illuminazione artificiale che siano complementari o alternativi a quelli che sfruttano la luce del sole, in grado di rispettare il ciclo biologico selezionato delle piante coltivate (che potrebbe anche essere diverso dal ciclo giorno-notte naturale) e di fornire la giusta quantità (e qualità) di luce per garantire una corretta crescita delle stesse. Tali sistemi devono garantire:

·         Un’elevata efficienza di conversione tra energia elettrica e radiazione luminosa necessaria per la fotosintesi clorofilliana.

·         Flessibilità per quello che riguarda la qualità della luce (cioè la possibilità di modificare la composizione dello spettro luminoso).

·         Flessibilità per quello che riguarda l’intensità (cioè la possibilità di programmare la quantità di luce che raggiunge le piante) in maniera da garantire corretti cicli giorno/notte.

·         Basso carico termico (parte dell’energia elettrica si trasforma in calore che può creare problemi nel controllo termico delle camere di crescita).

·         Peso e volume ridotti delle sorgenti luminose e dei sistemi ad esse associati (in una missione spaziale è obbligatorio risparmiare peso al lancio).

·         Durata e affidabilità delle sorgenti luminose (per limitare le attività di manutenzione e gli eventi di sostituzione).

illuminazione fig 2

: Il sistema integrato con serre ricoperte da “regolite” sulla superficie lunare

Per le caratteristiche del loro spettro luminoso e per l’alta intensità di luce emessa, le lampade che potrebbero essere prese in considerazione per una serra spaziale sono quelle ai vapori di sodio (HPS), quelle agli ioduri metallici (MH) o le lampade a fluorescenza.

lampada vapori di sodioLe lampade ai Vapori di Sodio (HPS) hanno uno spettro luminoso paragonabile a quella del Sole in estate e sono ricche delle componenti nel rosso e arancione. Le lampade HPS standard mancano della parte blu dello spettro luminoso. Per ovviare a questo problema da alcuni anni esistono in commercio lampade HPS ad ampio spettro dotate della capacità di emettere anche luce nel blu. Queste ultime danno la possibilità di impiegare un solo tipo di lampada per tutto il ciclo di vita della pianta, sia per la crescita vegetativa (fase di crescita della pianta prima della fioritura) che per la fase riproduttiva (fioritura e fruttificazione).

 lampada ioduri metalliciLe lampade agli Ioduri Metallici (MH) hanno uno spettro luminoso con una maggiore presenza delle componenti nel blu e nel violetto rispetto alle lampade HPS, pertanto sono indicate soprattutto nella fase di crescita vegetativa. Anche in questo caso esistono dei prodotti specifici per l’utilizzo in serra, che offrono migliori prestazioni rispetto alle lampade standard.

lampada fluorescenzaLe lampade a fluorescenza hanno una resa minore rispetto a quelle agli ioduri metallici ma possono essere una valida alternativa nelle fasi iniziali del ciclo di sviluppo delle piante visto i costi ridotti d’acquisto e di gestione. Inoltre, hanno il vantaggio di produrre meno calore e interferiscono meno con i sistemi di controllo della temperatura in serra. La loro evoluzione ha portato sul mercato lampade a fluorescenza compatte con prestazione maggiori e consumi contenuti.

Tuttavia, le lampade descritte non risolvono alcuni dei problemi indicati sopra. In particolare non hanno lunga durata e quindi sarebbe necessario un gran numero di lampade di riserva con conseguente aumento del carico da trasportare e delle attività di manutenzione richieste. Inoltre sono delicate e potrebbero non resistere alle sollecitazioni al lancio. Infine, richiedono una grande potenza che potrebbe non essere disponibile nei luoghi di installazione delle serre.

Da questo punto di vista i pannelli a LED (Light Emitting Diode) sembrano la soluzione ideale per serre da costruire nello spazio, per camere di crescita a bordo di stazioni spaziali orbitanti o navicelle spaziali. I LED hanno una durata molto maggiore delle lampade descritte (100.000 ore rispetto alle 24.000 ore delle lampade a vapori di sodio), sono dotati di ampia flessibilità in termini di composizione dello spettro luminoso di emissione (nei sistemi a LED  è possibile combinare le diverse componenti di coloro) che di intensità luminosa (cosa che li rende molto facili da  utilizzare in sistemi automatici), non hanno bisogno di una grande potenza di alimentazione e non generano molto calore. Per questi motivo gli apparati per gli esperimenti di crescita delle piante a bordo della ISS implementano questa soluzione. Un esempio è camera di crescita VEGGIE (immagine di copertina), installata a bordo della ISS nell’estate del 2014.

Ovviamente le lampade, di qualsiasi tipo siano, richiedono energia elettrica per essere alimentate, e questo pone un altro problema. Come si genera l’energia necessaria ad alimentare i sistemi di illuminazione (ma più in generale per tutti i sistemi che caratterizzano un struttura spaziale)?

La risposta è semplice. E’ ancora il Sole e la possibilità di trasformare la sua energia luminosa attraverso i pannelli fotovoltaici. Tutti i satelliti, non appena arrivano in orbita dispiegano i loro pannelli fotovoltaici per iniziare a generare l’energica elettrica che serve al funzionamento dei vari sistemi. La stessa ISS è dotata di quattro coppie di pannelli, ognuna delle quali misura 73 metri da un’estremità all’altra. Tutte le sonde e i rover mandati su altri pianeti sono dotati di analoghi pannelli fotovoltaici. Una serra su un altro pianeta, piuttosto che a bordo di qualsiasi piattaforma spaziale, non potrà fare a meno di utilizzare questa tecnologia per avere energia elettrica disponibile.

Antonio Ceriello, Giuseppe De Chiara – Telespazio

I sistemi biorigenerativi

18/05/2015

Radicarsi nello spazio

I progressi della ricerca agronomica, come la coltura “fuori suolo” (idroponica), consentono di allevare piante in luoghi e spazi un tempo ritenuti impossibili. Uno dei luoghi più estremi che si possano immaginare per la coltivazione di piante è certamente la Stazione Spaziale Internazionale, un laboratorio multidisciplinare in cui la ricerca è attiva anche per individuare le condizioni ideali per poter realizzare il riciclo di risorse vitali (tecnologie bio-rigenerative).

Nel quadro del progetto “BIOxTREME” finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana, il Laboratorio Biotecnologie dell’ENEA sta esplorando il potenziale delle piante per utilizzarle non solo come fonte di integratori alimentari antiossidanti, ma anche come sorgente di sostanze antimicrobiche. Questo al fine rendere più salubre sia l’ambiente nelle stazioni spaziali che la vita degli astronauti, rafforzandone le difese nei confronti della comunità microbica “importata” dalla terra che, nell’ambiente confinato dei veicoli spaziali, può rappresentare un grave pericolo per uomini e strutture.

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Piante “tuttofare” dunque, che innescano un ciclo bio-rigenerativo di risorse vitali, come acqua e ossigeno, eliminando anidride carbonica, favorendo così la sostenibilità degli habitat delle stazioni orbitanti e costituendo allo stesso tempo un alimento ricco di molecole ad alto valore aggiunto.

Con questi obiettivi l’ENEA dedica la ricerca ad un tipo di pomodoro, il MICROTOM, nato come cultivar ornamentale, ma che, per portamento e caratteristiche intrinseche, ben si adatta ad un orto spaziale. Si cercherà quindi di costruire un “ideotipo” resistente alle condizioni estreme nello spazio come: assenza di gravità, radiazioni cosmiche, campi elettromagnetici. Una combinazione genetica per produrre piante in grado di accumulare grandi quantità di sostanze antiossidanti come le antocianine, le famose molecole antidoto contro l’invecchiamento, che sono contenute in grandi quantità nei frutti di colore scuro.

Ma le piante e le loro radici possono anche essere fonte di diversi tipi di proteine con riconosciuta attività farmacologica. Infatti, sono allo studio colture di radici che funzionano come bioreattori naturali in grado di sintetizzare molecole ad altissimo valore aggiunto (anticorpi, peptidi, immunostimolanti) a partire da tessuti che si accrescono grazie a zucchero, semplici sali e vitamine.

Queste radici risultano resistenti ad alte dosi di radiazioni gamma e protoni (dell’ordine di 10 gray) e proliferano anche dopo dosi di irraggiamento che sarebbero letali per molti altri tipi di cellule.

Un bell’esempio di come ci si può attrezzare per “mettere radici” nello spazio.

I sistemi biorigenerativi

18/05/2015

Acqua: elemento essenziale nel ciclo vitale, anche nello spazio

L’acqua che bevono Samantha Cristoforetti e il resto dell’equipaggio della Stazione Spaziale Internazionale è anche italiana: nasce e parte da Torino, e viene trasportata sulla ISS con il modulo automatico ATV. L’Agenzia spaziale russa ha scelto acqua di falda, estratta dalla Societa` Metropolitana Acque Torino (SMAT) presso la Centrale “Regina Margherita” come la più indicata per i cosmonauti, soprattutto per il suo contenuto di sali. E la vuole addizionata di fluoro, per la salute dei denti. Al contrario, gli astronauti statunitensi preferiscono un’acqua decisamente più “light”, proveniente dalle sorgenti montane del Pian della Mussa, e quindi meno mineralizzata. Non solo gusti e obiettivi nutrizionali diversi, ma anche metodi diversi di disinfezione a garanzia del controllo microbiologico: argento colloidale per i russi, iodio per gli americani. E di conseguenza diverse precauzioni per la produzione, l’immagazzinamento e la certificazione di qualità, sicurezza e stabilità nel tempo.

Ilaria Locantore, chimico progettista presso l’Area Tecnologica “Recyclab” di Thales Alenia Space Italia, proprio a Torino, racconta: “Con 4 missioni di ATV abbiamo portato sulla stazione quasi 2 tonnellate di acqua russa! Abbiamo studiato a lungo, raccolto dati per mesi, e alla fine abbiamo definito un processo affidabile e condiviso dai nostri clienti, per il mantenimento della qualita` dell’acqua durante tutto il ciclo vita: pre-trattamento dei serbatoi utilizzati per raccogliere e trasferire l’acqua a terra, caricamento e controllo periodico della qualità dell’acqua, dalla produzione al lancio”.

Prodotta a Torino e lanciata da Kourou, in Guyana Francese, l’acqua potabile arriva agli astronauti per mantenere a bordo le necessarie scorte idriche, e per compensare la quota che non si riesce a rigenerare a bordo.  Sulla ISS infatti, l’acqua si risparmia e si ricicla.  Il consumo pro-capite da parte degli astronauti e` di circa 2 litri per bere e reidratare il cibo disidratato, e di mezzo litro per lavarsi con semplici panni umidi. Niente sprechi quindi: il risultato e` un consumo di acqua davvero minimo, se confrontato con i 200 litri circa al giorno del cittadino medio italiano!  Ma l’astronauta non si limita ad un uso moderato e razionale di questa preziosa risorsa: tramite processi chimico-fisici di rigenerazione e purificazione presenti a bordo, il ciclo dell’acqua può essere chiuso quasi del tutto, recuperandone il 95% circa, a partire dall’urina e dall’umidità dell’aria di cabina condensata nei sistemi di condizionamento.

Quali sono le criticità attese per progettare i futuri viaggi verso Marte o altre destinazioni non facilmente rifornibili da Terra? Ilaria ci dice: “Grazie all’esperienza maturata, ora sappiamo quali sono gli aspetti critici riguardanti la rigenerazione, la conservazione e disinfezione a lungo termine, e come affrontarli. Sappiamo quanto è necessario sfruttare le risorse disponibili, per risparmiare massa, volume ed energia. Attraverso le nostre ricerche puntiamo a nuovi serbatoi flessibili, riutilizzabili e multi-funzionali: per esempio l’acqua e` un buon materiale per schermare dalle radiazioni cosmiche, quindi perche` non utilizzare “cuscini” d’acqua per proteggere gli astronauti?  La disinfezione fara` minore ricorso a prodotti chimici, impiegando ad esempio la luce UV prodotta da LED a basso consumo, e materiali con rivestimenti antimicrobici a base di argento”.

Un giorno anche il ciclo biologico della coltivazione delle piante potrà venirci in aiuto.  Per l’esplorazione planetaria la distanza ostacolerà il rifornimento da Terra, e gli astronauti dovranno essere in grado di produrre da sé almeno una parte del cibo. Proprio come nella biosfera terrestre, le piante, oltre a generare ossigeno e rimuovere anidride carbonica, ci aiuteranno a depurare l’acqua. Assumendo dalle radici i reflui usati per l’irrigazione, tratterranno le sostanze nutritive e ci restituiranno acqua più pura attraverso la traspirazione fogliare. Insieme a quella recuperata dagli altri processi, l’acqua verrà raccolta in serbatoi, disinfettata e resa disponibile al bisogno. Impariamo a farlo nei nostri laboratori e a sperimentarlo sulla ISS oggi, per garantirlo durante le missioni di lunga durata domani.  E se sfruttiamo il ciclo biologico, come nei cosiddetti sistemi bio-rigenerativi descritti in queste pagine di Avamposto 42, potremo avvicinarci alla “chiusura” dei cicli che caratterizzano le risorse vitali.

L’acqua è essenziale per la vita, la cerchiamo sugli altri pianeti, sulle Lune e le comete per comprenderne l’origine e il viaggio nel cosmo. Si nasconde nei crateri da impatto, in un mantello ghiacciato. Forse un giorno nei viaggi planetari saremo anche in grado di estrarla, utilizzarla, preservarla e riciclarla… sempre senza alcuno spreco.

Cesare Lobascio  (Thales Alenia Space – Italia)

Per saperne di più:

The ESA Automated Transfer Vehicle ATV Integrated Cargo Carrier http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/ATV/ATV_Integrated_Cargo_Carrier

Thales Alenia Space for ATV https://www.thalesgroup.com/en/worldwide/space/case-study/atv-5-bows-out

Recyclab http://www.lastampa.it/2013/03/22/scienza/il-laboratorio-torinese-che-studia-il-riciclo-spaziale-8DUm5fZQWTMIakuZXp2ecI/pagina.html

Gli esperimenti di Futura | I sistemi biorigenerativi

30/04/2015

Effetti della microgravità sulla crescita delle piante

Le condizioni di microgravità a bordo delle stazioni spaziali orbitanti o di gravità ridotta su piattaforme planetarie possono essere percepite come fonte di stress dalle piante.

La gravità ridotta non impedisce il completamento dei cicli vitali delle piante: nello Spazio i semi germinano e le piante possono crescere, fiorire e formare frutti contenenti semi a loro volta capaci di germinare. In altre parole, anche in microgravità le piante possono completare il ciclo vitale “da seme a seme”. Anche nello Spazio è quindi possibile coltivare le piante a scopo alimentare per produrre cibo fresco nelle varie forme: foglie e germogli per le insalate, frutti e semi. Tuttavia, la microgravità può provocare alterazioni in alcuni processi e fenomeni biologici che innescano alterazioni nella struttura e nella funzionalità dei diversi organi. Queste modifiche, anche quando non sono tali da mettere a rischio la sopravvivenza, potrebbero comunque determinare alterazioni delle principali funzioni svolte dalle piante nello Spazio e variazioni della quantità e qualità delle parti da utilizzare come cibo fresco.

La maggior parte delle informazioni disponibili sull’effetto della microgravità sulle piante deriva da esperimenti svolti o a bordo delle piattaforme spaziali dove, di fatto, la microgravità agisce insieme ad altri fattori “spaziali” (per esempio le radiazioni ionizzanti), oppure sulla Terra dove “l’assenza di gravità” si può simulare con vari apparecchi tra cui i clinostati, che annullano gli effetti dell’azione unidirezionale della forza di gravità sull’organismo facendolo ruotare continuamente.

L’effetto della microgravità è stato studiato principalmente su alcuni processi nel corso dello sviluppo delle piante ed in particolare su: capacità di germinazione dei semi e sviluppo morfologico, gravitropismo (crescita delle radici guidata dall’attrazione gravitazionale), sviluppo del sistema vascolare e fenomeni di formazione delle pareti cellulari (fondamentali per il trasporto dell’acqua nel sistema vegetale e per il sostegno strutturale), traslocazione di sostanze di riserva (per esempio l’amido), accumulo di sostanze fenoliche (sostanze antiossidanti prodotte generalmente a seguito di stress), capacità di riproduzione, efficienza degli scambi gassosi (fotosintesi e traspirazione), attività del nucleo e cicli cellulari.

Figura_Microgravità_ItalianoNumerosi esperimenti a bordo di satelliti e stazioni spaziali hanno dimostrato che la microgravità pur non impedendo la realizzazione della maggior parte dei processi vitali, può alterarne il normale svolgimento. La microgravità è ritenuta responsabile sia di effetti diretti su alcuni processi biologici, sia di effetti indiretti dovuti all’alterazione di fenomeni fisici come la dinamica dei fluidi. Tali alterazioni possono provocare fenomeni di asfissia a livello delle radici, riduzione della traspirazione ed accumulo di etilene, un ormone normalmente prodotto dalle piante in alcuni momenti del ciclo vitale che, alle giuste concentrazioni, può stimolare alcuni processi, mentre in concentrazioni eccessive può ostacolarli.

Molte delle alterazioni della crescita (per es. ridotta germinazione, assenza di impollinazione per la mancata schiusura delle antere) sono state imputate alla microgravità nei primi esperimenti condotti nello Spazio, per essere poi nel tempo attribuite proprio ad anomalie della dinamica dei fluidi che hanno determinato fenomeni di accumulo di etilene, eccesso di umidità o limitate concentrazioni di anidride carbonica. Fenomeni di crescita ridotta e rallentata, riscontrati in piante cresciute in condizioni di microgravità, sono stati talvolta imputati proprio a condizioni di asfissia dovute all’assenza di moti convettivi che normalmente permettono gli scambi tra i fluidi.

Indipendentemente dall’effetto diretto o indiretto della microgravità sulle piante, è un dato di fatto che le parti commestibili delle piante coltivate nello Spazio possono avere struttura e composizione nutrizionale diverse da quelle coltivate sulla Terra. Ad esempio, alterazioni delle caratteristiche delle pareti cellulari possono comportare variazioni nella consistenza del cibo fresco. Allo stesso tempo, modifiche nel funzionamento delle vie metaboliche si riflettono in alterazioni della composizione di macronutrienti e micronutrienti degli organi vegetali con immediate conseguenze sulla loro qualità nutrizionale.

Capire l’effetto della gravità alterata sulla crescita delle piante diventa quindi importante non solo dal punto di vista scientifico, per meglio comprendere alcuni processi di sviluppo delle piante sulla Terra (utilizzando quindi lo Spazio come uno speciale laboratorio), ma anche dal punto di vista pratico al fine di valutare le possibili conseguenze sul gradimento e sulle proprietà nutrizionali ed anti-nutrizionali degli alimenti vegetali freschi prodotti nello Spazio.

Università di Napoli/Veronica De Micco, Carmen Arena & Giovanna Aronne

Per saperne di più: http://www.dipartimentodiagraria.unina.it/

Gli esperimenti di Futura | I sistemi biorigenerativi

30/04/2015

Effetti delle radiazioni ionizzanti sulla crescita delle piante

Nello Spazio, tutti gli organismi sono esposti a forti livelli di radiazioni ionizzanti, ossia radiazioni dotate di un’energia tale da poter ionizzare gli atomi e le molecole con cui interagiscono. Le radiazioni ionizzanti comprendono radiazioni ultraviolette ad alta frequenza, raggi X, raggi g, neutroni, elettroni ed altri tipi di particelle.

In generale, le piante sono molto più resistenti alle radiazioni ionizzanti rispetto agli organismi animali: dosi letali per gli animali possono infatti avere un effetto positivo o nullo sulle piante.

L’effetto delle radiazioni ionizzanti sulle piante segue uno dei principi fondamentali della tossicologia: come enunciato da Paracelso (Theophrastus Bombastus von Hohenheim) all’inizio del 1500, “Omnia venenum sunt: nec sine veneno quicquam existit. Dosis sola facit, ut venenum non fit” (i.e. “Ogni cosa è veleno, non esiste cosa che non lo sia. Solo la dose fa sì che una sostanza non divenga veleno”). Questa idea, rifiutata per molto tempo, è ora comunemente accettata: è infatti riconosciuto che alcune sostanze possono avere effetti tossici ad alte concentrazioni, mentre a basse dosi possono indurre risposte positive. Tale fenomeno, noto come ormesi, è stato riscontrato anche per quanto riguarda l’interazione tra la radiazione ionizzante e la pianta: l’esposizione ad alte dosi può avere effetti da molto tossici a letali, mentre dosi moderate o basse possono addirittura stimolare la crescita. La soglia di radiazione per cui si può generare danno o ormesi è diversa per ogni pianta e dipende principalmente dalle caratteristiche genetiche e fisiologiche della specie.

Figura Art Radiazioni

Gli effetti delle radiazioni ionizzanti sulle piante variano in funzione del tipo di radiazione, del tipo di esposizione (acuta o cronica), delle dosi, e delle caratteristiche dell’organismo: specie, cultivar (la varietà), stato fisiologico e nutrizionale, ciclo vitale (stadio fenologico) in cui si trova la pianta al momento dell’irraggiamento.

Quando le radiazioni ionizzanti colpiscono la pianta, possono agire a differenti scale: cellula, tessuto, organo, intero organismo. Le radiazioni ionizzanti possono provocare alterazioni geniche (mutazioni) che poi si traducono in modifiche nello sviluppo, nella morfologia e nel metabolismo della pianta. Possono anche provocare danni diretti ai tessuti ed agli organi oppure determinare danni dovuti alla produzione di radicali liberi (ROS – Reactive Oxygen Species). Questi ultimi sono molecole instabili ed estremamente reattive che possono danneggiare macromolecole strutturali e funzionali quali lipidi, proteine e acidi nucleici. La resistenza delle piante alle radiazioni ionizzanti è in alcuni casi dovuta alla presenza di più copie nel genoma di uno stesso gene (poliploidia) per cui se una copia di un gene è danneggiata, ne esiste una di riserva (back-up) che ne garantisce comunque l’espressione. Le cellule vegetali sono inoltre capaci di mettere in atto meccanismi cellulari molto complessi per riparare il DNA danneggiato o per rimuovere i radicali liberi.

Elevate dosi di radiazioni possono agire negativamente sugli organismi vegetali riducendo la capacità di germinazione, ostacolando il completamento dei cicli riproduttivi e prevenendo quindi la produzione di frutti e semi. Il nanismo della pianta, generalmente considerato un effetto di crescita negativo per un individuo, è tuttavia da valutare come effetto positivo per la crescita delle piante nello Spazio dove ci sono limitazioni nei volumi a disposizione per la coltivazione. Basse dosi di radiazione possono determinare effetti positivi tra cui si annoverano l’aumento della produzione di frutti e semi, una migliore capacità delle piante di resistere agli stress ambientali (per es. deficit idrico) e l’aumento del contenuto di sostanze antiossidanti in alcuni tessuti che può avere importanti conseguenze sul valore nutrizionale delle parti commestibili delle piante coltivate nello Spazio.

In conclusione, le radiazioni ionizzanti, tanto pericolose per l’uomo e per gli organismi animali in genere, potrebbero essere addirittura utilizzate nello spazio come strumento per aumentare la quantità e la qualità delle parti delle piante da utilizzare come cibo fresco prodotto direttamente a bordo.

Università di Napoli/Veronica De Micco, Carmen Arena & Giovanna Aronne

http://www.dipartimentodiagraria.unina.it/

I sistemi biorigenerativi

08/04/2015

Come addomesticare il vostro esperimento spaziale

Ci sono operazioni che qui dal Centro di Controllo a Terra non possiamo controllare più di tanto e questo, lo ammettiamo, ci rende nervosi a volte. Una di queste è l’esperimento MARES nel laboratorio spaziale Columbus: è  grande, altamente complesso e a volte sa essere alquanto capriccioso.

Il Muscle Atrophy Research and Exercise system (MARES) http://en.wikipedia.org/wiki/Muscle_Atrophy_Research_and_Exercise_System) ci permette di studiare il sistema muscolare degli astronauti e contribuire cosi a rispondere ad alcune delle domande essenziali che riguardano le missioni spaziali di lunga durata: come reagisce il corpo umano alla microgravità ? Quanto velocemente i muscoli si indeboliscono se non vengono usati da un astronauta?

Muscle Atrophy Research and Exercise System (MARES). Credits: ESA

Muscle Atrophy Research and Exercise System (MARES). Credits: ESA

A volte ci piace pensare a MARES come a una specie di “ mostro” : riempie ben meta’ del modulo Columbus. Richiede molto tempo ad essere preparato e altrettanto tempo per essere messo via alla fine della sessione; assomiglia un po’  ad uno di quegli attrezzi da palestra che si trovano nei centri fitness e che nessuno all’ inizio sa mai come usare. E’ forse per questo che noi flight controllers ne abbiamo cosi’  tanto rispetto: e’ un sistema meccanicamente complesso e tutte le volte che ci sono stati problemi mentre un astronauta lo stava utilizzando si sono rivelate situazioni decisamente complicate da risolvere alla radio.

Quindi devo ammettere che quando ho scoperto di non essere di turno quando MARES era programmato mi sono sentito sollevato; anche se poi non bisogna mai sottovalutare i colleghi in malattia da dover sostituire….

Ma alla fine i miei colleghi e Samantha Cristoforetti hanno fatto un ottimo lavoro; la sostituzione della batteria e’ andata a buon fine (una macchinario di queste dimensioni richiede più’  energia di quella che il Columbus può’ fornire di per se’ ). Oltre a questo lavoro di manutenzione Samantha ha installato un nuovo hard drive per poi testare MARES per la prima volta in orbita attraverso la calibratura dei suoi servomotori.

E infine MARES e’ stato rimesso dove ogni mostro deve stare, nella sua “ gabbia”  (un armadio all’interno del laboratorio Columbus)…ma solo fino alla prossima volta!

Thomas Uhlig, Columbus Control Centre

Nella foto di copertina: Da non provare a casa, solo nello spazio! Quattro anni fa MARES veniva installato nel modulo Columbus – l’astronauta Doug Wheelock dimostra la sua bravura in microgravità’. (Credits: NASA)

Gli esperimenti di Futura | Niente Panico

27/03/2015

Respira: l’esperimento Airway Monitoring

Mi ricordo molto bene della lunga discussione che abbiamo avuto quando lavoravo come bagnino molti anni fa: era meglio dare o no lo spray alla nitroglicerina ai pazienti che soffrivano di cuore? Da un lato questo spray è in grado di dare un immediato sollievo al paziente ma dall’altro lato può anche fargli abbassare notevolmente e in poco tempo la pressione sanguigna – una condizione non proprio raccomandabile in caso di emergenza. All’epoca decidemmo di no e fu una saggia decisione. La nitroglicerina sublinguale agisce sul monossido di azoto, una molecola che anche il corpo umano produce e che può essere usata come indicatore di uno stato infiammatorio delle vie respiratorie: un suo aumento nell’aria espirata può indicare infiammazione.

“Airway Monitoring” è un esperimento piuttosto complesso che è stato messo a punto proprio per capire come funzioni questo meccanismo e in che modo possa essere influenzato da un flusso sanguigno guidato dalla gravità e dalla pressione atmosferica.

I risultati sono importanti per la ricerca medica di base come anche per il futuro dell’esplorazione umana dello spazio oltre l’orbita bassa e verso altri corpi celesti. Le polveri presenti sulla Luna e su Marte sono molto aggressive e di conseguenza non solo bisognerà pensare a come proteggere le navicelle spaziale ma anche a come proteggere polmoni e gole degli astronauti che le useranno. È inevitabile che le polveri si accumulino nelle tute spaziali utilizzate o nei condotti dell’aria delle future eventuali stazioni su Marte e/o sulla Luna: sarà quindi di primaria importanza individuare sul nascere una eventuale infiammazione delle vie respiratorie.

La scorsa settimana sia Samantha sia il collega statunitense Terry Virts della NASA hanno iniziato i preparativi dell’esperimento; dopo aver portato l’equipaggiamento nel Quest airlock (solitamente utilizzato per la preparazione delle passeggiate spaziali) hanno iniziato le prime misurazioni venerdì

Con la supervisione dell’astronauta Barry Wilmore della NASA in qualità di ufficiale medico di bordo Samantha e Terry hanno iniziato le procedure previste per Airway Monitoring abbassando la pressione dell’aria all’interno dell’airlock.

Data la sua complessità, l’esperimento ha visto la collaborazione di più team a livello internazionale: il centro danese DAMEC, per la sua lunga esperienza con i medici di bordo, a Houston il gruppo che si occupa del controllo del Quest airlock, noi qui a Oberpfaffenhofen e, infine, Katja Leuoth e Marius Bach dal Columbus Control centre, per il supporto agli astronauti. Per delle procedure così complicate e che richiedono precisione gli astronauti hanno bisogno di un costante aiuto da Terra per fare in modo che l’esperimento venga condotto nel miglior modo possibile e per rispondere alle loro possibili domande in tempo reale.

Ora è tempo di lasciare i risultati agli scienziati: i dati ricavati devono essere processati e analizzati per poi decidere in che modo continuare le sessioni future di Airway Monitoring.  Il Columbus Control centre sarà pronto a riportare gli astronauti nell’airlock per rispondere alle loro domande e preparare il terreno per quelle missioni future che avranno la fortuna di atterrare in atmosfere meno dense di quella terrestre….

Col-CC

Nella foto di copertina Samantha mentre esegue delle misurazioni BDC (base data collection) per l’esperimento Airway Monitoring.

Per saperne di più: http://avamposto42.esa.int/blog/diario-di-bordo/single/l-129-nella-camera-ipobarica-lesperimento-airway-monitoring/ http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2015/03/Samantha_working_on_Airway_Monitoring

Gli esperimenti di Futura | Niente Panico

13/03/2015

L’esperimento Drain Brain: intervista al prof. Paolo Zamboni

Negli uomini la circolazione cerebrale è uno dei principali fattori che regolano la fisiologia del cervello ma ad oggi non se ne hanno conoscenze approfondite e complete.

Proprio di questo si occupa l’esperimento Drain Brain, sviluppato dal prof. Paolo Zamboni del Centro Malattie Vascolari dell’Università degli Studi di Ferrara, selezionato dall’Agenzia Spaziale Italiana per essere svolto sulla Stazione Spaziale Internazionale durante la missione FUTURA.

L’inizio delle operazioni è stata una vera sfida per il team del progetto. La prima versione dello strumento è andata perduta nell’ottobre del 2014 nell’incidente del veicolo americano Orbital-3. Per cercare di rimanere nei tempi prestabiliti l’Università di Ferrara e i suoi partner, hanno realizzato un nuovo strumento arrivato il 12 gennaio con lo SpaceX-5 Dragon, partito due giorni prima da Cape Canaveral, permettendo così a Samantha di iniziare le misurazioni.

Come ci ha raccontato lei stessa nel suo Diario Di Bordo “gli strumenti specifici per Drain Brain comprendono tre pletismografi a estensimetro, che hanno l’aspetto di collari di un materiale estensibile… In realtà sono sensori in grado di misurare il flusso sanguigno nelle vene in un modo molto semplice e non invasivo che non dipende dalle abilità e dall’interpretazione dell’operatore, come nel caso dell’ecografia. Indossando questi collari al collo, al braccio e alla gamba, ho eseguito una serie di respirazioni al 70% della capacità dei polmoni rimanendo ferma, oppure distendendo e contraendo la mano o la caviglia.”

Ma quali sono gli obiettivi e le modalità di svolgimento di questo esperimento?

Lo abbiamo chiesto direttamente al prof. Paolo Zamboni, P.I. di drain Brain e potete ascoltare le sue risposte qui:

per maggiori informazioni su Drain Brain: http://www.asi.it/it/news/gli_esperimenti_di_samantha http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1278.html http://avamposto42.esa.int/blog/diario-di-bordo/single/l5-i-trucchi-dellecografia-spaziale/ http://avamposto42.esa.int/blog/diario-di-bordo/single/l57-l58-la-lunga-giornata-della-fisiologia-umana/

Gli esperimenti di Futura | Link

06/03/2015

Esperimento PRO K: spazio alle…ossa!

Avete mai sentito parlare del cilindro di O’Neill? Forse sì, se siete appassionati di fantascienza. Si tratta di un progetto per un habitat spaziale molto particolare: due cilindri in contro rotazione, alti  30 km e con un raggio di 3 km, che permettono di creare una forza di gravità simulata dalla forza centrifuga sulla superficie interna. Siamo ancora lontani da un simile scenario, ma questo espediente è stato utilizzato da molti scrittori di fantascienza in passato.

Vista interna in un disegno che mostra come potrebbe apparire un cilindro di O'Neill.

Vista interna in un disegno che mostra come potrebbe apparire un cilindro di O’Neill.

Oggi dobbiamo ancora fare i conti con gli effetti negativi della microgravità, come l’osteoporosi, ma iniziamo ad avere le prime contromisure. L’esperimento Pro K, per esempio, è un’indagine che ha il compito di valutare quali possono essere gli accorgimenti da adottare da un punto di vista alimentare per ridurre la perdita osseadegli astronauti. Pro K propone una dieta con un rapporto ridotto di proteine ​​animali (acide) rispetto alla quantità assunta di potassio (basico). Questo dovrebbe consentire una diminuzione della perdita minerale ossea.

Il meccanismo che riduce la massa ossea nello spazio coinvolge molteplici fattori. Il protocollo dell’esperimento è progettato per valutare l’influenza dei precursori acido e base nella dieta. Il concetto che la dieta possa alterare l’equilibrio acido-base del nostro organismo non è affatto nuovo ed è ormai accertato che una diminuzione del pH del sangue, causata dai prodotti acidi del metabolismo (acidosi metabolica), influisce negativamente sulla massa ossea. Questo fenomeno è stato osservato anche durante le simulazioni a terra tramite il riposo prolungato a letto.

PRO K vuole verificare l’ipotesi che diminuendo rapporto tra i precursori acidi e quelli alcalini (in particolare, come detto, proteine ​​animali rispetto al potassio) nella dieta si possa ridurre la perdita minerale ossea durante il volo spaziale e la successiva fase di recupero una volta rientrati sulla Terra. Il rapporto tra le proteine ​​animali e il potassio presenti nella dieta degli astronauti viene dunque controllato prima, durante e dopo le missioni, in un arco di tempo di 4 giorni. Questo permette ai ricercatori di valutare gli effetti della dieta sulla perdita ossea in orbita e sul suo recupero una volta rientrati nella gravità terrestre.

In caso di successo, lo studio potrebbe portare a miglioramenti nella salute delle ossa durante le missioni di lunga durata (sei o più mesi), tra cui lo sviluppo di una contromisura che è praticamente priva di rischi e non necessita di un carico utile (il cosiddetto payload) supplementare. Tra l’altro, PRO K non incide negativamente nemmeno sul tempo utilizzato dall’equipaggio o su altre risorse importanti.

Per saperne di più: http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/721.html

Una curiosità: Nel film Interstellar è proprio un cilindro di O’Neill quello mostrato nelle scene finali.

Proteine e muscoli | Scienza a gravita' zero

04/03/2015