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Il ruolo delle piante superiori nei sistemi biorigenerativi di supporto alla vita nello Spazio

Allo stato attuale, le risorse necessarie per missioni spaziali brevi sono interamente trasportate dalla Terra, tuttavia questo non sarà possibile per missioni di lunga durata, per motivi di natura tecnica ed economica. Infatti, è calcolato che ciascun astronauta necessita di circa 30 kg al giorno di risorse (cibo, acqua, ossigeno), pertanto, considerando una permanenza nello Spazio di 2 anni (tempo minimo per una missione su Marte con gli attuali sistemi di propulsione), il fabbisogno sarebbe di circa 22 t per astronauta. In questa prospettiva, il rifornimento periodico dalla Terra, e il parallelo smaltimento dei rifiuti prodotti dall’equipaggio, risulterebbe logisticamente difficile ed economicamente dispendioso.

La corretta nutrizione e il benessere degli astronauti è una condizione fondamentale per la riuscita delle missioni spaziali. La preparazione del cibo e il confezionamento rappresentano aspetti critici: l’alimento deve essere compatto, per evitare che in condizioni di ridotta gravità eventuali frammenti possano disperdersi nell’ambiente ed essere inalati o danneggiare strumenti, e avere un ridotto contenuto di umidità per rallentare il deterioramento e prevenire lo sviluppo di odori sgradevoli. L’uso di alluminio, a esempio, garantisce una buona durata ma non consente il riscaldamento in microonde e aumenta il peso delle confezioni rispetto alla plastica. Nel corso della conservazione, inoltre, le caratteristiche organolettiche (sapore, colore, consistenza) e nutrizionali (es. contenuto vitaminico) subiscono alterazioni che possono rendono l’alimento meno appetibile e sano, imponendo il ricorso a integratori chimici.

L’esigenza di una corretta alimentazione appare anche più importante se si considera che le condizioni di vita nello Spazio (es.  ridotta gravità) possono predisporre all’insorgenza di diverse patologie (es. osteoporosi, atrofia muscolare), il cui rischio può essere ridotto dall’assunzione di composti funzionali presenti nel cibo (es. antiossidanti del pomodoro, proteine della soia).

Figura Art BLSSSulla base di tali presupposti, è evidente che la realizzazione di missioni di lunga durata è subordinata alla messa a punto di sistemi in grado di rigenerare le risorse (aria e acqua), integrare la dieta dell’equipaggio e riciclare i rifiuti del metabolismo umano. Tale concetto è alla base dei Sistemi Biorigenerativi di Supporto alla Vita (Bioregenerative Life Support Systems, BLSSs), ecosistemi artificiali basati sullo scambio di materiali ed energia tra compartimenti, destinati all’uomo e a componenti biologiche diverse, in un ciclo ideale in cui ciascun compartimento utilizza prodotti di scarto dell’altro.

Numerosi organismi (microalghe, batteri, pesci, piante superiori) sono stati proposti come componenti biologiche, tuttavia ad oggi le piante rappresentano i rigeneratori più promettenti, grazie alla loro relazione “complementare” con l’uomo. Infatti, semplificando, le piante sono in grado di rigenerare l’aria assorbendo anidride carbonica ed emettendo ossigeno attraverso la fotosintesi, purificare l’acqua mediante la traspirazione, e produrre cibo fresco impiegando scarti dell’equipaggio (feci, urine). Nell’ottica di lunghe permanenze nello Spazio, inoltre, è stato dimostrato che la presenza di piante mitiga lo stress psicologico della missione e delle condizioni di isolamento, creando un ambiente più simile a quello terrestre e offrendo l’opportunità di un’attività ricreativa.

Allo stato attuale, i BLSSs non sono ancora impiegati nello Spazio, a causa del consumo energetico e di peso e volume elevati, e nel prossimo futuro la coltivazione in orbita sarà probabilmente limitata a moduli di dimensione ridotta per studi sulla fisiologia e la produttività delle piante e per la produzione di modeste quantità di cibo fresco. In un futuro non lontano, tuttavia, è ipotizzabile che stazioni orbitanti e piattaforme planetarie ospiteranno BLSSs di larga scala, in grado di garantire una parziale autonomia alle colonie spaziali. In questa ottica, le basi planetarie potrebbero anche sfruttare risorse disponibili localmente (es. “regolite” lunare come substrato di coltivazione) superando le attuali limitazioni al trasporto di materiali e la presenza di gravità, sebbene ridotta rispetto a quella terrestre (1/6 g sulla Luna e 1/3 g su Marte), consentirebbe di  risolvere i problemi legati all’assenza di gravità delle stazioni orbitanti e l’adozione di tecnologie di coltivazione simili a quelle comunemente adottate sulla Terra.

Diverse specie vegetali, con requisiti nutrizionali adatti a soddisfare i fabbisogni alimentari dell’equipaggio, sono studiate come candidate per i BLSSs (grano tenero e grano duro, patata, soia, pomodoro, ecc.). Nell’ottica di una produzione di cibo elevata e costante, tuttavia, un’intensa attività di ricerca è ancora necessaria per definire protocolli di coltivazione in grado di ottimizzare la produttività e la qualità del cibo, minimizzando gli scarti.

Roberta Paradiso, Roberta Buonomo & Stefania De Pascale (Università di Napoli)

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

I sistemi biorigenerativi

19/02/2015

Un’intervista elegante

Dopo la brutta esperienza con i moscerini della frutta, oggi la Capa sembra tornata in sé: mi propone un’intervista telefonica con qualcuno che ha definito “elegante”. “E trasparente,” ha aggiunto con un sorriso. È una brava Capa, la mia Capa: so che ha fiducia in me e che mi sa valorizzare.  I moscerini sono stati solo una brutta parentesi. Telefono e trascrivo.

 

Buongiorno professore, grazie di aver accettato l’intervista con Avamposto 42!

Si figuri: per me e i miei colleghi è un dovere e un piacere dare un piccolo contributo alla scienza e alla sua diffusione.

 

Lei è molto gentile, Professore. So che si occuperà di un esperimento per migliorare le condizioni di salute degli astronauti nelle missioni di lunga durata. Di che si tratta?

Con altri colleghi, mi occupo dell’esperimento EPIGENETICA: cerchiamo di capire in che modo un ambiente senza peso possa indurre modificazioni genetiche ereditabili, senza però alterare la sequenza del DNA.

Ma il DNA non è il registro del patrimonio genetico? Se non viene modificato, non può trasmettere niente di diverso da quanto trasmesso in passato. Sbaglio?

In realtà ci sono cambiamenti ereditabili che non corrispondono a un’alterazione del DNA. Il DNA rimane lo stesso, ma cambia il modo con cui si esprime. Per fare un paragone molto semplice, è come quando si passa un copione teatrale da un attore a un altro. Il copione rimane lo stesso, ma cambia l’interpretazione.  La scienza che studia cambiamenti di questo genere si chiama epigenetica.

Al di là del paragone, è possibile vedere un meccanismo del genere all’opera nella vita di tutti i giorni?

Un esempio classico è la differenziazione cellulare: alcune cellule si specializzano, ma non modificano la loro struttura del DNA di base. Alcuni studi recenti indicano che mutazioni epigenetiche potrebbero influire anche sull’invecchiamento o sui processi tumorali.

Torniamo agli astronauti e allo spazio. Perché volete compiere questo esperimento in condizioni di gravità ridotta?

Vogliamo capire come una cellula che si sia adattata allo spazio trasmetta a una cellula di nuova generazione il medesimo adattamento. Come sa, le ossa e i muscoli degli astronauti subiscono modifiche nei voli di lunga durata: il nostro esperimento è volto proprio a capire meglio se ci sono modificazioni a livello di ogni cellula. E quale sia il legame tra adattamento e mutazione epigenetica.

Sono curioso di capire in che modo conducete l’esperimento. Samantha, nel suo diario di bordo, racconta di divertirsi molto con Epigenetica.

È perché ci siamo noi.

Certo Professore, lei e i suoi colleghi siete certamente persone di spirito. Ma intendevo chiederle con quali organismi viventi che si riproducono nello spazio conducete l’esperimento. Non mi dica che si tratta di quegli arroganti moscerini della frutta?

 [ride, ndr]. Non ci servono i moscerini della frutta. Come le dicevo, bastiamo noi.

Voi e Samantha Cristoforetti, naturalmente. Immagino che seguirete la nostra astronauta passo passo, in collegamento da Terra, mentre lei agirà sugli organismi. Si tratta di batteri?

Guardi [continua a ridere, ndr], c’è un equivoco. Noi siamo sulla Stazione con Samantha Cristoforetti.

In che senso?

Nell’unico senso possibile. Siamo là con lei: siamo saliti sotto forma di larva. Poi ci hanno risvegliato con un buon nutrimento batterico: alcuni di noi sono stati messi in una centrifuga che simula una gravità terrestre, mentre altri sono stati lasciati liberi di fluttuare a zero-gravità. Una volta maturi, ci siamo riprodotti: gli adulti sono stati portati via e messi in frigorifero (il MELFI) per essere analizzati a terra, mentre le larve sono cresciute mangiando allegramente per 5 giorni. E poi di nuovo: adulti in frigo e larve di seconda generazione che crescono. E così via, per 4 generazioni…. Come mai non dice niente? Non le interessa?

Professore… chi siete “voi”?

Vermi, naturalmente.

Cosa? Vermi? Sto parlando al telefono con un verme?

Sono un Caenorhabditis elegans, in effetti. Mi pregio di poter godere di una certa eleganza. Le dispiace? Pensi, siamo lunghi appena un millimetro e siamo totalmente trasparenti, in modo da permettere ai ricercatori di osservare i nostri organi interni al microscopio. E siamo quasi tutti ermafroditi. Pronto? Pronto? Dov’è finito? Signor intervistatore… noi andiamo, il MELFI ci attende: arrivederci, allora, le salutiamo Samantha!

Stefano Sandrelli

Per saperne di più questa e la pagina dell’esperimento (in inglese): http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1075.html

Niente Panico

06/02/2015

Le piante a supporto dell’Uomo nello Spazio e l’iniziativa IBIS

L’esplorazione umana dello spazio profondo e la colonizzazione di altri corpi celesti, come la Luna e Marte, richiederà l’utilizzo di una nuova generazione di moduli spaziali capaci di sostenere per lunghi periodi la vita degli astronauti senza fare ricorso ai rifornimenti da Terra.

I sistemi di supporto alla vita tradizionali sono basati su processi chimico-fisici che garantiscono il controllo dell’atmosfera e dell’aria respirabile, il riciclo dell’acqua, lo smaltimento dei rifiuti. Questi sistemi richiedono per il loro mantenimento un costante apporto di risorse dall’esterno.

Ma se si volesse creare un sistema chiuso completamente auto-rigenerante, cioè in cui le risorse si riciclano in continuazione senza esaurirsi? I sistemi biorigenerativi per il supporto alla vita vogliono rispondere a questa esigenza.

Si tratta di sistemi complessi basati su elementi biologici, come le piante, le alghe e i microorganismi, in grado di generare e mantenere all’interno di un ambiente chiuso un’atmosfera respirabile, di purificare e riciclare l’acqua e l’umidità, di fornire cibo agli astronauti, come ad esempio ortaggi e pomodori, smaltendo al contempo gli scarti, sia vegetali che umani, in un ciclo continuo. In altre parole, l’idea è di ricreare all’interno dei moduli spaziali una biosfera artificiale in grado di mantenere la vita, proprio come la biosfera naturale sulla superficie della Terra.

Un altro vantaggio certo delle piante nello Spazio è che esse avrebbero un ruolo positivo non soltanto sul sostentamento, ma anche sul benessere psicologico degli astronauti. Pionieri su altri mondi e agricoltori spaziali, dunque!

Tuttavia, la coltivazione di piante in ambienti chiusi e in condizioni di gravità diverse da quelle della Terra è estremamente complessa e sono in atto ricerche sia nel campo della biologia sia in quello della tecnologia per far fronte alle numerose domande che questa sfida pone agli scienziati e agli ingegneri.

In campo biologico attualmente gli studi si concentrano sulla scelta delle specie di piante più adatte a essere coltivate in condizioni estreme, come lo sono le condizioni nello Spazio. In altre parole, si cerca di individuare le specie più resistenti alle radiazioni e meno sensibili alle condizioni diverse di gravità e di luce. In campo tecnologico, invece, gli studi si concentrano sulla definizione delle condizioni ottimali di luce, di distribuzione dei nutrienti, di scelta del substrato più adatto per la crescita delle piante e per una produzione di cibo di qualità e sicura per la salute degli astronauti.

Un altro elemento essenziale dei sistemi biorigenerativi sono i microrganismi, come ad esempio i batteri o le alghe unicellulari, che vengono “coltivati” in sistemi detti bioreattori, ambienti compatti i cui parametri ambientali sono controllati finemente per ottimizzare la crescita dei minuscoli ospiti. Sfruttare la grande biodiversità dei microrganismi offre il vantaggio di combinare tra loro diverse funzioni, permettendo la “chiusura” del sistema biorigenerativo, cioè la creazione di catene di comparti in cui i prodotti di base o gli scarti di un modulo alimentano i processi di un altro modulo.

Un esempio di sistema ecologico chiuso è rappresentato dal funzionamento combinato di un bioreattore fotosintetico e di un bioreattore cosiddetto “nitrificante”. Nei bioreattori fotosintetici, micro-alghe o altri microorganismi commestibili, come il cianobatterio Arthrospira, producono ossigeno e cibo, utilizzando la luce come sorgente di energia e i nitrati, cioè composti dell’azoto, come substrato nutritivo. Non tutti sanno che Arthrospira, pur richiedendo per la propria crescita volumi molto ridotti, ha proprietà nutritive paragonabili a quelle del cibo fornito dalle piante.

Da dove ricavare i nitrati di cui Arthrospira ha bisogno per crescere? Ecco che entra in gioco il bioreattore nitrificante, in cui una specie diversa di batteri produce a partire dalle acque di scarto i nitrati di cui si nutrono le alghe fotosintetiche. Questo processo, chiamato nitrificazione, consente al contempo di purificare l’acqua rendendola nuovamente potabile e utilizzabile dall’equipaggio. A chiudere il ciclo, è l’ossigeno prodotto dalla fotosintesi delle alghe nel primo bioreattore ad alimentare il processo di nitrificazione nel secondo. Ecco allora come i due reattori combinati fra loro si alimentano a vicenda con i propri prodotti di scarto e al contempo generano risorse preziose, come cibo, acqua e ossigeno, per il sostentamento degli astronauti.

Il progetto MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative), dell’Agenzia Spaziale Europea, si propone di sviluppare uno di questi sistemi. MELiSSA si basa su cicli di carbonio, azoto e acqua, in cui batteri, alghe e piante vengono usate per produrre risorse vitali e mantenere l’ambiente dentro un modulo chiuso abitabile e in condizioni di equilibrio. Il sistema è suddiviso in cinque compartimenti, in cui il cibo per gli astronauti, le sostanze nutritive per le piante, l’acqua e l’ossigeno vengono prodotti a partire dai rifiuti organici dell’uomo, dai prodotti di scarto delle piante, dall’anidride carbonica. Altri progetti, come EDEN ISS, finanziato dalla Commissione Europea, GreenMOSS dell’ESA, Lunar Greenhouse della NASA, si concentrano sullo sviluppo di tecnologie per l’agricoltura in ambiente Spaziale.

Il Logo del Gruppo di Lavoro IBIS.

Il Logo del Gruppo di Lavoro IBIS.

Il tema dei sistemi di controllo ambientale, o in altri termini di supporto alla vita, di tipo biorigenerativo, è presente nell’agenda del programma dell’Unione Europea per il finanziamento della ricerca (H2020) e nella Global Exploration Roadmap, il cammino della Esplorazione Spaziale tracciato dall’ISECG (International Space Exploration Coordination Group), il gruppo di studio internazionale per l’esplorazione umana dello Spazio, a cui partecipano tutte le maggiori agenzie del mondo.

E’ dunque evidente come le tecnologie biorigenerative costituiscano un area di ricerca di fondamentale importanza per lo sviluppo di moduli abitati a zero consumo di risorse per l’esplorazione e la colonizzazione del Sistema Solare. Ma quali sono le possibili applicazioni a terra? Sono molteplici. Basti pensare allo sviluppo di tecnologie per l’agricoltura in ambienti confinati ed estremi, come i deserti o i poli ghiacciati, o al possibile contributo alla soluzione di questioni vitali quali la sostenibilità ambientale, il risparmio delle risorse, l’efficienza energetica.

L’Agenzia Spaziale Italiana, forte delle competenze nazionali nel settore, ha avviato un programma di attività che ha lo scopo di stimolare e incoraggiare iniziative di ricerca, di sviluppo tecnologico e commerciali sul tema. E’ questo l’obiettivo del Gruppo di Lavoro nazionale sui sistemi biorigenerativi IBIS (Italian BIoregenerative Systems) che, coordinato dall’ASI, raccoglie il contributo delle migliori competenze scientifiche e industriali nazionali.

E visto che il tema della Missione Futura di Samantha è la nutrizione, il Gruppo di Lavoro IBIS, non poteva non dare il suo contributo. Quello che avete letto è il primo di una serie di articoli sui sistemi biorigenerativi e sulla coltivazione di cibo nello Spazio che saranno pubblicati su Avamposto 42 e che cercheranno di rispondere alle domande “Quale cibo?, “Come produrlo nello Spazio?”, “Con quali tecnologie?”, “Cosa si sta facendo sulla Terra?”; conducendoci alla scoperta di un affascinante tema di ricerca scientifica e tecnologica e di una sfida per il futuro.

Salvatore Pignataro, ASI, Direttore Missione Futura e Coordinatore GdL IBIS

Sara Piccirillo, ASI, Biologa dell’Unità Volo Umano

Francesca Ferranti, ASI, Biotecnologa dell’Unità Volo Umano

Per saperne di piú: http://www.asi.it

I sistemi biorigenerativi

04/02/2015

La carica dei 101

Quando me lo ha chiesto, qualche mese fa, non ci credevo. “Vai e intervistali”, ha detto la Capa. “Ma dici sul serio?”, le ho risposto. “Dovrei intervistare quei…” Ma lei aveva già distolto lo sguardo, annoiata. Andare e intervistare: ecco tutto quel che dovevo fare. L’ennesima intervista a un astronauta? A Samantha Cristoforetti? A un controllore di volo del Col CC? Forse a Stefano Polato o Filippo Ongaro? Macché.

No, la Capa mi aveva chiesto di intervistare proprio loro: quei minuscoli, presuntuosi, orribili moscerini della frutta. “Presto saranno le vere star spaziali,” ha detto mentre uscivo. Aveva ragione. Forse è per questo che è la Capa. Sono un cronista serio, do alla Capa quel che è della Capa e riporto la trascrizione integrale dell’intervista.

Houston, 2014.07.01

Allora, perché stai zitto e ci guardi con quell’aria scettica?

Intanto, cari moscerini della frutta, dovrebbe essere l’intervistatore a fare la prima domanda, non voi. Non credete?

Sì vabbe’: ma ci guardi con un’aria da pera cotta da un quarto d’ora. Avremmo anche qualcosa di meglio da fare, dato che viviamo solo un paio di settimane, non credi?

Con tutto il rispetto, mi sarei aspettato di dover intervistare qualcuno di un po’ più…

Un po’ più…

Un po’ più… con rispetto, eh! Un po’ più importante, più stimolante. Al limite, anche un po’ più di bell’aspetto, ecco. 

Ora, se la metti sulla bellezza… senti, partiamo con le domande, per cortesia, fra 5 minuti abbiamo la BBC, la CNN e Rainews che devono intervistarci. E speriamo che abbiano mandato qualcuno con un po’ più di sale in zucca.

Sentite… la prima domanda che ho preparato è questa. Non so se vi piacerà… dunque… vado eh?

Vai, vai, sbrigati.

Allora: voi siete solo moscerini, esserini mosci e piccini, come dice il nome, piuttosto insignificanti. Ronzate intorno alla frutta, vi appiccicate le larve, la rovinate. Di peggio conosco solo le zanzare. Ecco, mi chiedo allora: perché qualcuno dovrebbe volervi sulla Stazione Spaziale?

Come si parte male! Tanto per iniziare, abbiamo già partecipato a varie missioni sullo Shuttle della NASA e il nostro nome scientifico è Drosophila melanogaster. Tu come ti chiami?

Stefano Sandrelli…

Ecco, vedi da solo la differenza! Drosophila melanogaster: suona un po’ meglio, no? Un tantino più nobile, se vuoi. E se non fossi così ignorante, sapresti anche che da anni diamo buoni suggerimenti agli umani che ci studiano. In effetti, siamo moscerini molto noti, nella ricerca. Siamo un vero e proprio “organismo modello”.

E cosa significa “organismo modello”?

Significa che non facciamo storie per essere allevate, ci riproduciamo molto più dei conigli, il nostro DNA è ben noto da circa 20 anni, abbiamo solo 4 cromosomi  e, se non ti basta, il nostro codice genetico non è troppo lontano da quello dell’uomo, specialmente per quanto riguarda la trasmissione delle malattie. Circa il 77% per cento dei geni portatori di malattie nell’uomo ha un analogo nel nostro genoma: il morbo di Parkinson, l’Alzheimer e così via.

Quindi siete inutili: se conosciamo già quelle malattie nell’uomo, a che servite voi?

Senti amico, cerca di accendere il cervello, per favore. Gli scienziati conoscono le malattie genetiche dell’uomo, ma è difficile studiare il meccanismo di trasmissione genetica di una malattia, dato che campate 70-80 anni. Noi, invece, ci riproduciamo pazzamente: la nostra vita dura più o meno un paio delle vostre settimane e ogni nostra femmina depone circa 600 uova. Capito? Trasmettiamo il nostro genoma “in diretta”, di fronte ai vostri occhi, a un sacco di discendenti.

Dalla tua espressione mi sembra di capire che questo non ti dica molto, vero?

Ma quanti siete?

Partiamo in più di 100. È il meccanismo della trasmissione genetica che interessa gli scienziati, capito? E noi glielo mostriamo, generazione dopo generazione.

Ma perché sulla ISS?

Perché sulla ISS non c’è peso. E il peso potrebbe essere una componente del famoso meccanismo di trasmissione genetica. Gli scienziati hanno ideato un bellissimo esperimento!

Parlatemene… come funziona?

Il Fruit Lab System ha tre componenti: una piccola casettina in cui siamo lanciati. Una seconda casettina dove viviamo e che permette l’inserimento di nuovo cibo e, soprattutto, l’estrazione delle nostre larve. Senza contaminazioni, però!

E che ci fanno gli astronauti con le vostre larve? Le mangiano? Cibo fresco?

Ma da dove sei uscito, tu? Le larve vengono portate in un bel frigorifero, un MELFI, conservate e portate a terra per essere studiate. Infine, c’è una terza casettina, in cui possiamo svolazzare liberamente, sempre che l’assenza di peso non ci disturbi troppo. E qui gli scienziati hanno montato una telecamera per guardarci 24 ore su 24. Una specie di Grande Fratello per moscerini. Inoltre parte di noi vivono in microgravità e parte in una  casetta inserita in una centrifuga, che simula la gravità terrestre. Le larve che produciamo vengono congelate, riportate a terra e studiate.

Siete proprio convinti che potrebbe venire fuori qualche cosa di interessante anche per gli uomini?

Certo, questa è la speranza nostra e degli scienziati che stiamo cercando di aiutare. Sono quasi 100 anni che aiutiamo gli uomini a capire il proprio funzionamento!

Se proprio volete saperne di più, ecco il blog dell’esperimento:

http://www.nasa.gov/ames/research/space-biosciences/fruit-fly-lab-ffl-01-engineers-blog/#.VMDVsCzhino

E qui Samantha Cristoforetti ne ha parlato nel suo blog: http://avamposto42.esa.int/blog/diario-di-bordo/single/l53-astromoscerini-spaziali/

Nell’immagini di copertina: L’habitat per gli astromoscerini creato appositamente per gli studi in microgravità. Credits: NASA / Dominic Hart

Stefano Sandrelli

Niente Panico

23/01/2015

Tolleranza al glucosio in microgravitá

I carboidrati, sia quelli semplici come gli zuccheri sia quelli più complessi, giocano un ruolo importante nel nostro corpo, sia perché sono una fonte primaria di energia, sia perché sono facilmente disponibili al bisogno. È facile, infatti, trovare carboidrati in molte bevande e cibi che consumiamo ogni giorno: frutta, caramelle, torte e pane, patate, riso e molti altri.

L’energia fornita dai carboidrati viene ossidata e, in seguito, utilizzata da organi e cellule. In particolare, le cellule del cervello e i globuli rossi dipendono energeticamente soltanto dai carboidrati.

 I carboidrati dovrebbero dunque costituire la parte più significativa della dieta giornaliera di una persona; questo vale ovviamente sia per noi terrestri sia per chi si trova al momento nello spazio sulla Stazione Spaziale Internazionale. Tuttavia, ad oggi, ancora poche ricerche sono state fatte circa gli effetti della microgravità sul metabolismo dei carboidrati e, fra gli studi fatti, i risultati non sempre concordano. Anche i carboidrati complessi vengono metabolizzati nel tratto gastrointestinale in disaccaridi come lo zucchero comune o monosaccaridi come il glucosio o il fruttosio. Questi poi vengono assorbiti dal flusso sanguigno e vanno così ad aumentare il livello di glucosio nel sangue.  Questo aumenta porta poi (come spiegato nel precedente post) l’insulina a entrare in azione, portando il glucosio dal sangue alle cellule, soprattutto quelle muscolari, che lo utilizzano come fonte di energia.

Quasi tre decenni di ricerca sul volo spaziale hanno suggerito che in condizioni di microgravità ci sono effettivamente cambiamenti diabetogeni negli astronauti. I primi studi in ambito spaziale hanno documentato un aumento nel flusso sanguigno della concentrazione sia di insulina sia di glucosio all’atterraggio per gli astronauti delle missioni Apollo, Skylab come anche per i voli Shuttle.

Inoltre, uno studio russo ha documentato una riduzione del picco rapido del glucosio nel sangue (fasting plasma glucose) dopo 60-88 giorni di volo su una navicella Salyut-Soyuz, e un picco ridotto di glucosio nel sangue nei test di tolleranza.

La resistenza insulinica (mancanza di sensibilità all’insulina) è stata riscontrata in test di microgravità simulate (il bed rest).

Mentre proseguono gli sforzi per mantenere la massa muscolare (e presumibilmente correggere la resistenza insulinica) in microgravità, poco è stato fatto dal punto di vista nutrizionale.

I cambiamenti nella produzione di insulina, la sensibilità insulinica (ovvero quanto il nostro corpo reagisce all’insulina) e la tolleranza al glucosio suggeriscono che l’insulina giochi un ruolo essenziale nel mantenimento della massa muscolare durante le missioni spaziali.  Un periodo prolungato di microgravità riduce la massa muscolare, il volume dei muscoli e la loro potenza, soprattutto per quanto riguarda le gambe. L’inattività stessa porta per forza i muscoli a uno stato di atrofia e aumentano eventuali problemi di assorbimento del glucosio a causa di problemi di mancanza di insulina.

È molto probabile infine che la bassa sensibilità delle cellule all’azione dell’insulina (insulino resistenza) negli astronauti durante e subito dopo una missione nello spazio sia dovuta proprio alla poca attività dei muscoli in microgravità.

Dr. Martina Heer

Scienza a gravita' zero | Zuccheri e obesità

11/12/2014

L’esperimento ENERGY

Vi ricordate di John Glenn? Nel 1998, quando aveva ormai 77 anni, è tornato nello spazio per sottoporsi ad alcuni studi sulla fisiologia umana in età avanzata. Niente male davvero! Questo astronauta americano rimarrà famoso anche per uno dei primi spuntini spaziali della storia: nel 1962, a bordo della navicella Friendship 7, Glenn assaggiò un po’ di succo di mela in un tubetto, in assenza di gravità.

Oggi, sulla ISS, si mangia decisamente meglio e l’aspetto qualitativo-nutrizionale è decisamente importante. L’esperimento Energy (Astronaut’s Energy Requirements for Long-Term Space Flight), in particolare, ha il compito di misurare il cambiamento nel bilancio energetico osservato negli astronauti durante le missioni di lunga durata. Il fabbisogno energetico dei membri dell’equipaggio è uno dei fattori fondamentali perché da esso dipendono le condizioni di salute di coloro che si trovano sulla ISS, il livello delle loro prestazioni lavorative e il successo globale di un volo spaziale di molti mesi. Non bisogna poi trascurare il fatto che è anche possibile stabilire con precisione la quota del carico utile (payload) che è necessario assegnare al cibo.

La costruzione della Stazione Spaziale Internazionale ha permesso di prolungare la permanenza degli astronauti nell’orbita bassa terrestre. Allo stesso tempo è anche aumentata l’importanza della nutrizione come possibile contromisura agli effetti negativi della microgravità. Una dieta sana ed equilibrata fa certamente bene sulla Terra, ma ancora di più nello spazio.

Il mantenimento del giusto bilancio energetico in assenza di peso non è affatto facile. Normalmente, il metabolismo basale rappresenta il 60-70% del totale. Poi bisogna tener conto del metabolismo cinetico, cioè quello legato al movimento, allo sport e all’attività fisica, che ha un peso del 15-30%. La parte rimanente del fabbisogno energetico è legata, infine, alla termogenesi indotta degli alimenti, che è pari al 5-15% del totale.

L'astronauta ESA Alexander Gerst durante una sessione dell'esperimento ENERGY, che cerca di capire quanta energia viene utilizzata dagli astronauti sulla ISS.

L’astronauta ESA Alexander Gerst durante una sessione dell’esperimento ENERGY, che cerca di capire quanta energia viene utilizzata dagli astronauti sulla ISS.

Provate a immaginare un astronauta affamato e senza energie durante un momento critico, come ad esempio una passeggiata spaziale o mentre scende sulla superficie di Marte…sarebbe un bel problema! Proprio per questo l’esperimento Energy cerca di studiare il dispendio energetico di un astronauta durante la missione: bisogna infatti cercare di trovare l’equilibrio per garantire che ci sia abbastanza cibo (e quello giusto) ma non troppo, dovendo tenere conto delle difficoltà e dei costi di trasporto fino alla ISS. Si tratta di un esperimento complesso e vi hanno partecipato anche gli astronauti ESA  André Kuipers, Luca Parmitano e Alexander Gerst.

Come molti esperimenti di fisiologia umana I dati vengono raccolti prima, durante e dopo il volo: in questo modo anche le più piccole differenze possono essere registrate e prese in analisi. La parte dell’esperimento condotta in microgravità è durata per ogni astronauta undici giorni. Durante questo periodo ognuno ha mangiato per i primi due giorni solamente del cibo prescelto apposta per l’esperimento, tenendo registrazione di ogni pasto attraverso bar code e dei questionari compilati da parti dell’astronauta. Anche i liquidi sono stati controllati ed è stata fatta bere agli astronauti solo acqua con isotopi di deuterio. Gli isotopi contenuti nell’acqua, innocui, permettono ai ricercatori di esaminare i cambiamenti di energia nel corpo dell’astronauta grazie alle analisi delle urine fatte sui campioni prelevati in questi undici giorni.

Oltre ad acqua e cibo per l’esperimento è stato importante registrare la quantità di ossigeno assorbita respirando dall’astronauta, in un intervallo di 20-50: in questo modo è possibile capire la quantità di energia consumata prima e dopo i pasti.

Infine tutta l’attività fisica eseguita negli undici giorni viene regolata grazie a dei monitor. In questo modo è  possibile poi distinguere in fase di analisi dei dati tra l’energia consumata per l’attività fisica e quella legata alla termogenesi del cibo.

Martina Heer

Metabolismo ed energia | Scienza a gravita' zero

28/11/2014