Biowissenschaftliche Forschung befasst sich grundsätzlich mit allen Lebensvorgängen einschließlich der Wechselwirkungen von Organismen mit der belebten und unbelebten Umwelt. Im Rahmen vorgegebener genetischer Programme steuern äußere Faktoren wie Licht, Temperatur, Magnetfelder, chemische Signale und nicht zuletzt die Erdschwerkraft, welche Wege in der Entwicklung oder im Verhalten eingeschlagen werden.
Dabei wird die Bedeutung der Schwerkraft häufig übersehen, da sie allgegenwärtig ist, doch stehen bereits einfachste Moleküle und Prozesse sowie alle Organismen vom Einzeller bis hin zum Menschen seit Anbeginn der Evolution vor rund 3,5 Milliarden Jahren unter Schwerkrafteinfluss.
Die Wahrnehmung und Verarbeitung dieses Reizes ist daher von außerordentlicher Bedeutung für alle Organismen, die Aufklärung dieser Vorgänge ein Schlüssel zum Verständnis des Lebens, seiner Entstehung und seiner Evolution. Die Untersuchung Schwerkraft-beeinflusster Phänomene wird auf der Erde dadurch erschwert, dass sich die Schwerkraft zwar in Zentrifugen zu höheren Werten verändern lässt - Schwerelosigkeit kann jedoch auf der Erde nur für kurze Zeiten im freien Fall (etwa im Fallturm) realisiert werden. Nur Weltraumexperimente bieten die Möglichkeit, naturwissenschaftliche Phänomene unter Ausschluss der Schwerkraftwirkung, das heißt in Mikrogravitation, umfassend zu analysieren.
Neben der Mikrogravitation hat auch die im Weltraum herrschende Strahlung erheblichen Einfluss auf Organismen. Qualität und Quantität dieser Strahlung, insbesondere in Kombination mit der Mikrogravitation können auf der Erde nur unzureichend simuliert werden, Weltraumexperimente bieten die einzige Möglichkeit für diesbezügliche Untersuchungen.
Von daher eröffnet diese Forschung - eingebettet in entsprechende terrestrische Aktivitäten - neue Dimensionen für die erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung in vielen Bereichen der Biowissenschaften und leistet entscheidende Beiträge zur Beantwortung von grundlegenden Fragen. Aufbauend auf den Erfahrungen und Ergebnissen der Vergangenheit und nach Beratungen mit Experten ist das Programm auch unter Berücksichtigung der Ergebnisse und Empfehlungen der Potenzialanalyse des Fraunhofer-Instituts für Systemtechnik und Innovationsforschung in Karlsruhe auf die drei Schwerpunkte Biologische Grundfragen, Integrative Humanphysiologie und Biotechnologie fokussiert.
Diese drei Schwerpunktbereiche des biowissenschaftlichen Teilprogramms werden in den nächsten Jahren vor allem durch die Nutzung der ISS als das Labor im All zu neuen wichtigen Erkenntnissen über die Entstehung, Ausbreitung und Zukunft des Lebens und seines Funktionierens führen. Dadurch können sich neue Möglichkeiten der Prävention, Diagnostik, Therapie von Krankheiten sowie der Rehabilitation und neue Anwendungsmöglichkeiten in der modernen Biotechnologie erschließen.
Im Bereich Biologische Grundfragen geht es um fundamentale Fragen nach der Bedeutung von Schwerkraft, aber auch von Weltraumstrahlung, für lebende Systeme sowie nach der Entstehung und Ausbreitung des Lebens. Die Aufklärung von Wahrnehmung und Verarbeitung des Schwerkraftreizes (Perzeption und Signal-Transduktion) auf zellulärer und molekularer Ebene ist hier das zentrale Thema für die nächsten Jahre. Der erste Schritt bei diesem für die Raumorientierung und die ganze Entwicklung so wichtigen Prozess ist meist eine durch die Schwerkraft bewirkte Verlagerung von schweren Partikeln in spezialisierten Zellen (etwa bestimmte Wurzelzellen in Pflanzen oder Otolithen im Gleichgewichtsorgan von Tieren und beim Menschen), die von zellulären Sensoren wahrgenommen werden und über eine Abfolge biochemischer Prozesse die Reaktion steuern.
Im Schwerpunkt Integrative Humanphysiologie steht ein verbessertes Verständnis der Funktionen von Organen und Systemen des menschlichen Körpers, speziell ihres gesamtheitlichen Zusammenwirkens bei der Anpassung an veränderte Schwerkraftbedingungen im Mittelpunkt des Interesses. Astronauten haben bei ihren Weltraummissionen mit ganz ähnlichen Problemen zu kämpfen wie der alternde Mensch auf der Erde. Zum Glück sind diese Veränderungen beim Astronauten reversibel, doch lassen sich so Krankheiten und Alterungsprozesse wie Muskelschwund, Osteoporose, Herz-Kreislauf-Probleme und Störungen des Gleichgewichtssystems gewissermaßen im Zeitraffer studieren, an ansonsten gesunden Menschen. So erwachsen aus dieser Forschung Erkenntnisse, die nicht nur den Astronauten zugute kommen und seine Gesundheit und Arbeitsfähigkeit erhalten, sondern auch für den Menschen auf der Erde von Bedeutung sind.
Im dritten Schwerpunktbereich Biotechnologie schließlich geht es um die Nutzung der Mikrogravitationsbedingungen zur Verbesserung biotechnologischer Prozesse und Produkte. Neben der Kristallisation organischer Makromoleküle wie Proteine und Nucleinsäuren als Voraussetzung für eine erfolgreiche Strukturaufklärung werden zukünftig Themen wie Tissue Engineering (dreidimensionales Wachstum von Geweben) sowie Forschung zu biologischen Lebenserhaltungssystemen im Mittelpunkt stehen.