Forschungsraketen-Kampagne des DLR - TEXUS 40



Flugbahn der MAXUS- und TEXUS-Forschungsraketen. Bild: EADS Astrium
Start: 7. April 2003 vom Startplatz bei Kiruna, Nordschweden

Im Auftrag des DLR startete die TEXUS-40-Forschungsrakete vom Startplatz ESRANGE bei Kiruna in Nordschweden. An Bord der Forschungsrakete TEXUS 40 befanden sich vier wissenschaftliche Experimente aus den Bereichen Biologie und Materialwissenschaft.

Signalweiterleitung in Pflanzen während Schwerkraftwahrnehmung und -reaktion
Botanisches Institut, Universität Bonn

Wie höhere Pflanzen erkennen, in welche Richtung sie wachsen und sich strecken sollen, berührt grundlegende Fragen der zellulären Informationsverarbeitung. Jeder Mensch kann leicht am Wuchs erkennen, dass die Schwerkraft offensichtlich auf Pflanzen wirkt. Dass dadurch beispielsweise Apfelbäume nach oben wachsen und erst dadurch ihre Früchte herunterfallen, ist auch leicht nachzuvollziehen.

Auch wenn die Entdeckung, dass die Schwerkraft den Apfel zum Boden zieht, als Meilenstein in der Wissenschaftsgeschichte gilt. Aber wie der Baum erkennt, wohin er wachsen soll, also wie er diese Information wahrnimmt, an alle pflanzlichen Organe weiterleitet und schließlich in seine charakteristische Wuchsform umsetzt, ist weitgehend ungeklärt.

Wahrscheinlich gibt es viele Wege, über die diese Vorgänge in der Pflanze vermittelt werden. Wir haben bereits festgestellt, dass schon einzelne, isolierte Zellen höherer Pflanzen (Sonnenblumen) auf die Schwerkraft reagieren können. Dabei wird eine Substanz (Inositol-1,4,5-tris-Phosphat, abgekürzt: InsP3) von den Zellen gebildet, welche die Signale von der Oberfläche ins Innere der Zelle weitergibt. Vermutlich würde ohne diese Substanz keine höhere Pflanze so auf Schwerkraft reagieren können, wie wir es kennen.

Weil diese Reaktion in den verschiedenen Geweben und Organen einer Pflanze aber durchaus unterschiedlich aussieht, liegt die Vermutung nahe, dass auch die Schwerkraft abhängige Bildung von InsP3 in den Zellen dieser Gewebe unterschiedlich aussieht. Deshalb werden im Experiment Zellen aus verschiedenen Geweben von Sonnenblumen der Schwerelosigkeit ausgesetzt, um anschließend deren InsP3-Gehalt zu bestimmen. Das könnte die Bedeutung dieser Substanz für die Schwerkraft-Wahrnehmung der höheren Pflanzen bestätigen.

In Experimenten am Boden und früheren TEXUS-Experimenten wurden bereits Hinweise dafür gefunden, allerdings bezüglich der unterschiedlichen Gewebe noch nicht unter Schwerelosigkeit bestätigt. In den Boden-Experimenten wurden auch eine ganze Reihe anderer Substanzen (etwa RNA) bestimmt, deren Menge in der Zelle entscheidend durch die Schwerkraft geregelt wird. Teilweise sogar schneller und heftiger als bei InsP3. Für die Bestätigung dieser Befunde wird voraussichtlich im Herbst 2004 ein MAXUS-Experiment unternommen.

Die Ergebnisse dieser Experimente sind für sich alleine genommen schon wertvoll für die Grundlagenforschung. Aber auch die Methoden, die dabei entwickelt werden, bieten Perspektiven für einen praktischen Nutzen, etwa bei der Entwicklung von Nutzpflanzen, die hinsichtlich ihrer Reaktion auf Schädlinge und ihrer genetischen Zusammensetzung genauer bewertet werden können.

Einzeller im Weltall
Institut für Botanik und Pharmazeutische Biologie, Universität Erlangen-Nürnberg

Am Lehrstuhl für Ökophysiologie der Pflanzen an der Universität Erlangen werden unter anderem die Grundlagen des Bewegungsverhaltens einzelliger Algen untersucht. Ein besonders interessantes Objekt ist dabei das wohl vielen Menschen noch aus der Schulzeit bekannte Augentierchen Euglena gracilis. Obwohl dieser Einzeller sehr klein ist (circa 50 Mikrometer lang), zeigt er Verhaltensweisen, wie man sie eigentlich nur von einem höheren Organismus erwarten würde. So kann Euglena sehr genau die Helligkeit messen und dabei auch die Lichtrichtung wahrnehmen und sein Bewegungsverhalten an den gerade herrschenden Lichtverhältnissen ausrichten. Mit Hilfe einer langen Schleppgeißel am Vorderende schwimmen die Zellen zum Licht hin, beziehungsweise bei gefährlich hoher Einstrahlung vom Licht weg. Euglena richtet sein Bewegungsverhalten auch am Schwerefeld der Erde aus. Im Dunklen schwimmen die Zellen stets in Richtung Wasseroberfläche, ein Bewegungsverhalten, welches als negative Gravitaxis bezeichnet wird.

Genauere Untersuchungen der Gravitaxis zeigten, dass Euglena gracilis die Schwerkraft aktiv wahrnimmt. Das heißt, spezielle Rezeptoren ermöglichen es der Zelle, die Position bezüglich des Schwerefelds der Erde zu bestimmen und das Bewegungsverhalten entsprechend auszurichten. Die aktive Wahrnehmung der Schwerkraft wird möglicherweise auch durch die asymmetrische Zellform unterstützt. Da das Hinterende der Zellen in der Regel etwas dicker ist als das Vorderende, wird die Zelle, ähnlich einem Stehaufmännchen vertikal ausgerichtet, wodurch die Einhaltung der negativ gravitaktischen Bewegungsrichtung erleichtert wird.

Ziel der Versuche auf TEXUS 40 ist es, diese passive Komponente in der Gravitaxis von Euglena herauszurechen. Dazu werden zwei Ansätze von Euglena gracilis Zellen während des Fluges mikroskopisch beobachtet. In einem Ansatz werden Zellen, die vorher unbeweglich gemacht werden, verwendet, im anderen unbeeinflusste Kontrollzellen. Mittels einer Zentrifuge werden die Ansätze in der Schwerelosigkeit unterschiedlichen, sehr niedrigen Beschleunigungen ausgesetzt und das Verhalten der Zellen bezüglich des Beschleunigungsvektors aufgezeichnet. Auch die unbeweglich gemachten Zellen werden sich mit ihrer Zelllängsachse parallel zum Beschleunigungsfeld ausrichten. Die Auslenkung der Zellen wird mathematisch ausgewertet. Von einem Vergleich der Daten zwischen den unbeweglichen Zellen und den Kontrollen erwarten wir, den möglichen Anteil einer passiven Auslenkung in der Gravitaxis berechnen zu können.

Das Experiment soll helfen, die zellulären und molekularen Grundlagen der Gravitaxis aufzuklären. Es deutet vieles darauf hin, dass es sich hierbei um einen für die Wissenschaft neuen Mechanismus handelt, der Ähnlichkeiten mit den Vorgängen in unserem Innenohr hat. Dass Euglena diesbezüglich für Überraschungen gut ist, zeigt sich daran, dass auch der kürzlich charakterisierte Photorezeptor (Lichtwahrnehmung) auf eine bis dato noch völlig unbekannte Weise funktioniert.

Der Einfluss von Schwerelosigkeit auf die retinale Spreading Depression
Institut für Physiologie, Universität Hohenheim

Die Spreading Depression (SD) tritt in Zusammenhang mit vielen transienten pathologischen Störungen wie etwa der klassischen Migräne, transienten Störungen bei Schlaganfall oder der Epilepsie auf. Aufgrund dieser Zusammenhänge ist die Erforschung der SD unter geänderten Gravitationsbedingungen über die Grundlagenforschung hinaus auch von medizinischer Bedeutung.

In diesem biologischen Projekt werden die grundsätzlichen Eigenschaften des Zentralen Nervensystems (Gehirn) unter Schwerelosigkeit untersucht. Die Experimente sollen zeigen, ob und wie sich die Eigenschaften von zentralnervösem Gewebe unter Schwerelosigkeit ändern. Besonders berücksichtigt werden dabei die Erregbarkeit des Gewebes und die Geschwindigkeit von zentralnervösen Vorgängen. Bei der TEXUS-40-Kampagne wird speziell der Einfluss von Mikrogravitation auf das Phänomen der "Spreading Depression" (SD) untersucht. Als System dient die Netzhaut von Hühneraugen, da die Wellenfronten in diesem System optisch sehr gut zu beobachten sind.

Die SD-Wellen werden durch mechanische Stimulation ausgelöst, die zweidimensionale Ausbreitung der SD-Wellen in der Retina wird mit entsprechender Videotechnik beobachtet und aufgezeichnet. Vorangegangene SD-Experimente in Parabelflügen und in der Zentrifuge zeigten bereits, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen deutlich von der Gravitation abhängt (Änderungen bei Mikrogravitation drei bis vier Prozent). Viel dramatischer sind allerdings die gemessenen Änderungen der Latenzzeiten des nervösen Gewebes unter Mikrogravitation (bis zu 50 Prozent). Dazu werden SD-Wellen in der Phase der Schwerelosigkeit mechanisch ausgelöst und die Latenz zwischen mechanischem Stimulus und Start der Welle gemessen. Bei TEXUS 40 soll gezeigt werden, ob diese Änderungen abhängig von der Dauer der µg Phase sind. Sind die Effekte bei fünf Minuten µg noch größer als bei den bisher in Parabelflügen gemessenen 25 Sekunden oder gibt es während dieser Zeit schon eine Adaption des nervösen Gewebes an die geänderten Bedingungen?

INTRA - Initial Transient in Solidification of a Transparent Alloy in Microgravity
ACCESS e.V., Aachen

Das materialwissenschaftliche Experiment INTRA -Initial Transient in Solidification of a Transparent Alloy in Microgravity- dient der experimentellen Untersuchung eines zeitabhängigen Erstarrungsvorganges. Dadurch soll das grundlegende Verständnis der Phänomene verbessert werden, die an der Grenze zwischen Festkörper und Schmelze bei industriellen Gieß- und Erstarrungsprozessen ständig auftreten. Sie werden durch verschiedene Transportvorgänge in der Schmelze beeinflusst. Bei Durchführung eines solchen Experimentes in Schwerelosigkeit ist es möglich, die Transportvorgänge allein auf die Diffusion zu reduzieren. Damit existieren klare, kontrollierbare Experimentbedingungen.

Für die direkte Beobachtung der Fest-Flüssig-Grenzfläche wird im Experiment eine durchsichtige organische Modellsubstanz verwendet, die ähnlich wie Metalllegierungen erstarrt und aufgrund ihrer niedrigen Schmelztemperatur von etwa 58 °C leicht zu handhaben ist. Um die nur sechsminütige Schwerelosigkeits-Phase des Fluges voll auszuschöpfen, erfolgt das vorbereitende Aufschmelzen des Probenmaterials bereits am Boden kurz vor dem Start. Beginnend zirka eine Minute nach dem Start kann der Experimentator über zwei Videokameras an Bord der Rakete die Vorgänge in der Experimentkammer beobachten.

Er entscheidet entsprechend dem Aussehen der Fest-Flüssig-Grenzfläche über den geeigneten Zeitpunkt des Experimentbeginns und leitet über einen Telekommando-Befehl vom Boden aus die Erstarrung des Probenmaterials ein. Auch über die zu wählende Abkühlrate kann in diesem Moment noch am Boden entschieden werden. Ebenso kann eine der beiden Kameras vom Experimentator nachfokussiert werden. Die Ausgangssignale der Kameras werden wiederum zum Boden übertragen und dort aufgezeichnet. Nach der Landung der Nutzlast kann der Experimentaufbau unverändert nochmals für Referenzexperimente unter "normaler Schwerkraft" verwendet werden.


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http://www.biologie.uni-erlangen.de/botanik1/deu/index.htm
http://www.uni-hohenheim.de/biologie/Biologie_Membranphysiologie.htm
http://www.access.rwth-aachen.de/