Érzékeli-e minden élőlény a gravitációt?

Az írben, a súlytalanság állapotában muslicákkal folytatott kísérletek meglepő eredményekkel jártak: az állatok nem érzékelték a nehézségi erőnek sem a hiányát, sem a megnövekedését. vajon így van-e ez a nagyobb élőlények esetében is, és milyen elméleti és gyakorlati tapasztalatokat vonhatunk le ebből a jelenségből?A Kozmosz 1129 elnevezésí bioszputnyikon kísérleteket végeztek a közönséges muslicával (Drosophila melanogaster), hogy megtudják, milyen nehézségi erő a legkedvezőbb a földi szervezetek számára: a megszokott földi, a súlytalanság állapota, vagy valami a kettő között. A bioszputnyik fedélzetén centrifuga forgott, melynek középpontjában a nehézségi erő nulla, a szélein pedig annyi volt, mint a Föld felszínén. A centrifugában közönséges muslicák fejlődtek. A muslica hosszú fejlődés során alkalmazkodott ugyan a földi vonzóerőhöz, viszont a súlytalanság állapotában az élet – a muslicának is – gazdaságosabb, energetikai szempontból kedvezőbb, hiszen nem kell energiát kifejtenie a nehézségi erő legyőzésére. A kutatók tehát úgy számítottak, hogy az állatok az ilyen előnyöket fogják kihasználni.

A kísérlet meglepő eredményeket hozott. A muslicák nem érzékelték sem a nehézségi erőt, sem a súlytalanságot. A centrifugában mindazokon a helyeken, ahol etetők voltak, több ezer egyedből álló, teljesen azonos populációk fejlődtek. A muslicák tartózkodási ideje is azonos volt a zónákban, amelyekben különböző nehézségi erő hatott. (Ezt egy különleges, igen pontos módszerrel mérték.) A laboratóriumban folytatott kísérletek bebizonyították, hogy a muslicák nem képesek megkülönböztetni a földi nehézségi erőt például az annál kétszer nagyobb nehézségi erőtől, és mindkét feltétel esetén kitínő egészségnek örvendenek. Vajon mi ennek a magyarázata? Hogyan lehetséges, hogy a földi nehézségi erő körülményei között végbemenő több millió éves fejlődés semmilyen nyomot nem hagyott ezen a téren a muslicákon, azok semmilyen ökológiai előnyre nem tettek szert?

A válasz a következő. Amikor a darwinista biológusok nyomán azt mondjuk, hogy valamennyi földi szervezet változatlan nehézségi erő mellett alkalmazkodott a létfeltételekhez, gyakran elfelejtjük, hogy az alkalmazkodás módjai sokfélék, gyakran nem is felismerhetőek. Egy adott nehézségi erőhöz történő alkalmazkodás jellege elsősorban a szervezet méreteitől függ. Számos baktérium és egysejtí mérete olyan, hogy életmódjuk teljes mértékben a molekuláris erőknek van alárendelve. Életükben egyelőre nincsenek, és a jövőben is aligha lesznek találhatók olyan jelenségek, amelyekre közvetlenül hatna a nehézségi erő, még akkor is, ha vitathatatlan, hogy ezeknek az élőlényeknek is „van közük” a földi vonzóerőhöz; a nehézségi erő teremtette meg azt a közeget, amelyen vagy amelyben élnek. A nehézségi erő által a közegben okozott változások (síríség, nedvesség, rétegeződés) pedig nagymértékben hatással lehetnek a mikroorganizmusok élettevékenységére.

Kicsit bonyolultabb a helyzet azokkal az élő szervezetekkel, melyek súlya a gramm milliomod részétől egy grammig terjed. Ide tartozik többek között a rovarok nagy része, beleértve a muslicát, az előbb ismertetett kísérlet alanyát is. Ezen élőlények világa a felületi feszültségek és a szélsőséges határfeltételek világa. Számos rovar, különösen a szabadon élő rovarok életciklusa a folyékony és félfolyékony közegekkel függ össze, amelyekben elhelyezik tojásaikat, és ahol a lárvaállapotot töltik. Ugyanakkor ezek a közegek pusztító hatásúak rájuk nézve – több rovar izomereje ugyanis annyira kicsiny, hogy nem képes legyőzni a folyadék és a levegő határán keletkező felületi feszültséget. A nedvesség érzékelése révén a muslicák ösztönszeríen igyekeznek szárazabb helyekre, általában valamilyen kemény tárgy és a levegő határára, egy físzálra, ágra vagy levélre. A nehézségi erő a rovarok számára jelentősebb, mint a baktériumok számára, ám mégis csak közvetett jelentőségí. Alkalmassá teszi a rovarokat, hogy három közeg, a folyékony, szilárd és légnemí közeg határán biztonságosan éljenek.

A bioszputnyikon végzett kísérletek első pillantásra nagyon meglepő eredményeinek egyszerí a magyarázata: a muslica nem alkalmazkodott a nehézségi erőhöz, mivel egyszeríen nem érzékeli azt, és nincs is szüksége rá, hogy érzékelje.

A nagyméretí gerincesek számára a nehézségi erő formaalakító hatású, és nem közömbös a méretük szempontjából sem. &Aacutem a nehézségi erő itt sem meghatározó. Annak, hogy az állatoknak meghatározott méreteik és formájuk van, elsődleges oka a természetes kiválasztódás, és az ezáltal létrehozott fajspecifikus genetikai rendszer. Hogy ez miért van így, az alábbiakból kiderül.

A hasonlóság elmélete
A formáról szóló tanítás megalapozójának joggal tekintjük Galileo Galileit, aki megalkotta a hasonlóság elméletét, és azt az állatokra is alkalmazta. Ismeretes a rajza az azonos családhoz tartozó kis- és nagyméretí állatokról. Látható, hogy a nagyobb állat csontjának szélessége jóval nagyobb mértékben növekedett, mint a hosszúsága.Galilei megfigyelésein alapul az élő szervezetek felépítésének egyik univerzális szabálya: a nagyobb egyed formája nem hasonlíthat a kisebb egyedére, attól lényegesen el kell térnie, hiszen csak ez esetben funkcionálhat hasonló módon.

Nem arról van szó, hogy a gyereknek még lágyak a csontjai, és ezért viszonylag fájdalom nélkül viseli el az eséseket, hanem arról, hogy ha egy gyerek elesik, feje a földhöz 1/16—1/25-nyi energiával ütődik, mint kétszer magasabb édesapjáé.

A szervezet formáját meghatározó valamennyi viszony közül a test felületének a test térfogatához viszonyított aránya a legfontosabb. A nehézségi erő szerepe a nagyobb szervezetek élettevékenységében szüntelenül növekszik. Meg kell azonban jegyeznünk, hogy számos esetben a felület és térfogat viszonyát nem a nehézségi erővel összefüggő változások alakítják a szervezet felépítésében. Ezek azok az esetek, amikor a nagyméretí állatoknál növekszik egy szerv felülete, hogy biztosítsa a megnövekedett térfogat szükségleteit. Hangsúlyozzuk, hogy a térfogatét, nem pedig a súlyét. &Iacutegy például a nagy emlősöknél és természetesen az embereknél is a vékonybélben csillók vannak, amelyek azért szükségesek, hogy növeljék a felszívófelületet: hiszen nagy tömeget kell feldolgozni. A kisméretí emlősöknél e csillók nem léteznek. Egy másik példa a tüdő. &Uumlreges felépítése biztosítja, hogy nagy mennyiségí vért láthasson el oxigénnel. Közismert, hogy a nagy testí állatoknál nagyobb mérví a tüdő üregessége is.

Felület és térfogat
Azoknak a hatásoknak a nagyobb része azonban, amelyek a felület és a térfogat arányának változásában következnek be, közvetlenül összefüggenek a nehézségi erő változásával. Ide tartoznak mindazok az esetek, amikor a térfogat a súly következtében változik. Galilei példája a végtagcsont vastagságának növekedésére a szárazföldi állatok esetében már iskolapéldává vált. A nagyméretí madarak repülési tulajdonságainak javítása egy másik jó példa. Azt mondhatnánk, hogy a nagyméretí madaraknak vagy nagyon jól kell tudniuk repülni, vagy sehogy sem. A nagyméretí madarak szárnya a repülés során egyetlen funkciót végez: biztosítja a repülést, márpedig tudjuk, hogy minél jobban alkalmazkodik egy szerv egy funkció ellátására, annál tökéletesebbé válik. A rovaroknál a szárnyaknak több rendeltetése van: nemcsak a repülést szolgálják, hanem szolgálnak bizonyos jelzésekhez, hangforrásul is, például násztánckor; felépítésük olyan, hogy a szárny több száz hertz rezgésszámmal mozoghat.

Azt mondhatjuk, hogy a nagy- és kisméretí állatok között a formájukkal összefüggő alapvető különbség lényege a következő: A nagyméretí állatok alakja a természetes kiválasztódás során azokat a technikai feltételeket testesíti meg, amelyeket a nehézségi erő a nagyméretí tárgyaktól megkövetel. A nehézségi erőben kereshetjük a választ ezekre a kérdésekre is: miért képesek a legyek a mennyezeten járni, miért repülnek gyorsan a nagyméretí madarak, miért nem hasonló az elefánt és a daxli formája?

Az a feltevés, hogy a különböző méretí élőlények különböző fizikai világok lakói, Thompson angol tudóstól származik.

„A növekedés és a forma” címí könyvében azonban elvi hibát követett el. &Uumlgy vélte, hogy a fizikai erő nemcsak a szerves természetet formálja közvetlenül – ami kétségkívül helyes elgondolás –, de az élőlényeket is. Az igen kicsiny szervezetek szinte egyáltalán nincsenek kitéve a nehézségi erő hatásának, s alakjuk a felületi feszültségtől függ, véli Thompson. Hipotézisének megvesztegető egyszerísége és meggyőző példái ellenére Thompsonnak nincs igaza. A szervezetek formája és a nehézségi erő közötti összefüggés kérdésére a választ a természetes kiválasztódásban kell keresnünk.Kísérleteink során tanulmányoztuk a nehézségi erő közvetlen hatását. Centrifugákba a vizsgálat céljától függően majmot, kutyát, patkányt vagy legyet helyeztünk. A zárt centrifugában a természetes kiválasztódásnak természetesen nem lehetett szerepe.

A kísérletek célja az volt, hogy meghatározzuk a gyorsulás egyéni vagy fajtától függő elviselhetőségének mértékét. Ezt fiziológiai mutatók segítségével végeztük, ám korántsem a forma megváltoztatásával. A természetben a fizikai erők a formára hosszú időn keresztül közvetlenül, a természetes kiválasztódás útján hatnak. Csak ez képes olyan formát alkotni, amely biztosítja a formát hordozó egyedek legjobb alkalmazkodását az adott körülményekhez. Az erők és az alak közötti összefüggést létrehozó egyensúlyi állapot a szerves világban általános érvényí jelenség. Amennyiben egy szervezet formája és méretei látszólagos ellentmondásban vannak a nehézségi erővel, bizonyos, hogy ez a fajta valamilyen más módot talált, hogy megvédje magát. Például a nem fán, hanem földön érő gyümölcsök külső védőtakarójának vastagsága és szilárdsága egyre fokozódó mértékben növekszik. Elegendő, ha az uborkára, a sárgadinnyére és a görögdinnyére gondolunk.

A kiválasztódás határai
A fizikai erők tehát korántsem közvetlen alakítói a szerves világ formáinak. Mérnöki nyelven a fizikai erőket úgy határozhatjuk meg, mint technikai feltételeket, amelyek határai között a valódi és egyetlen alkotó, a természetes kiválasztódás hozza létre az adott feltételeket kielégítő, ahhoz alkalmazott fajtákat. Az állat formája és életmódja feltétlenül alkalmazkodik a nehézségi erőhöz. A méretek változásakor nyilvánvalóan meg kell változnia a formának és az életmódnak, ami vonatkozik arra az esetre, amikor a méretek az egyén növekedése, szervezetének fejlődése során változnak (az ontogenezis során), és arra is, amikor a méretek evolúciós növekedése következik be (a filogenezisben).

A darwinista biológusok kidolgozták azt a módszert, amely lehetővé teszi, hogy mennyiségileg hasonlítsák össze a rokon fajoknál a méretek és a forma változását. Korszerí formában ezt a módszert először Sir Julián Huxley alkalmazta; az evolúciós változatokat a test egyes részei súlyának, az összsúlyhoz való arányának változásával írta le. A szervezet viszonylagos méreteinek növekedését ezekben az úgynevezett allometrikus sorokban általában elég pontosan jellemzik az egyszerí, fokozatos funkcióváltozások. Kiderült azonban, hogy a morfológiai változások értékelése a Huxley-féle két mutató segítségével elméletileg nem kielégítő: több variációs allometriára van szükség. A súly hatása, azaz a nehézségi erő nemcsak a végtagokon érvényesül, hanem az egész csontvázon. Ezt az állítást megfigyelések és kísérletek is igazolják.

&Iacutegy például, ha egereket és szárnyasokat centrifugában tenyésztenek, a csontváz fejlődésében bekövetkező változások nem korlátozódnak csupán azokra a csontokra, amelyek a terhet hordozzák, hanem kiterjednek az egész csontvázra.

A modern allometrikus kutatásokkal földerített törvényszeríségek világosan rámutatnak a nehézségi erőre, mint olyan formális okra, amely meghatározza a szervezetek méreteit és külsejét! A szó szoros értelmében valamennyi tanulmányozott morfológiai összefüggés a nehézségi erő hatásával magyarázható. A növények magassága kétharmad arányban függ száruk vastagságától. A gombák ugyanolyan mértékben vannak kitéve ennek az összefüggésnek, mint a fák. A szárazföldi emlősök esetében a vastagság gyorsabban növekszik, mint a hosszúság: a nagyméretí emlősök rövidebbek és szélesebbek. A nehézségi erő a szárazföldi állatok valamennyi külső formájára hatást gyakorol.
Még az a tudósok által jól ismert, úgynevezett háromnegyedes arány is, amely az anyagcsere sebességét és a test nagyságának arányát fejezi ki, a nehézségi erőtől függ. Régóta feltételezték, hogy a háromnegyedes aránynak valamilyen kapcsolatban kell lennie a felülettel is. &Aacutem amikor megpróbálták összekapcsolni a test egész felületével, minden próbálkozás sikertelennek bizonyult. Nemrég bebizonyították, hogy az anyagcsere sebessége az izmok keresztmetszetével, nem pedig a külső felülettel van egyenes arányban; a jelzett sebességet az izmok munkája határozza meg, amelyet viszont az izmok keresztmetszetének felülete jellemez. Végeredményben tehát a nehézségi erő határozza meg az anyagcsere sebességét is.

Minden a nehézségi erőtől függ?
A legfontosabb biológiai ritmusok is a nehézségi erőtől függenek. A szervek súlya egyenesen arányos a test egészének súlyával: a biológiai ritmusok közül a pulzusnak, a légzésnek 1:4 arányú az összefüggése a súllyal. A sebesség, amellyel a különböző csoporthoz tartozó, ám hasonló feltételek között élő állatok haladnak, az állat súlyától 1:3 arányban függ. Az élő természet megfigyelése azt bizonyítja, hogy az egy típushoz tartozó állatok, például a gerincesek méretei kicsinyek lesznek, amikor a gravitációs feszültségek nagyok, és nagyobbak e feszültségek hiánya esetén. Ennek bizonyítására elegendő összehasonlítanunk a madarak és a vízi emlősök súlyát. Egy és ugyanazon környezethez alkalmazkodott állatok között a nagyobb méretíek szerkezete a tökéletesebb, és jobban alkalmazkodik a fajta létfeltételeihez. Például a madarak tökéletesebb alkatúak, mint a rovarok: a természet annyira tökéletesítette és specializálta a madarak alakját és szárnyformáját, hogy az adott madárfajta tekintetében szinte minden lehetőséget kimerített, míg a tökéletlenebb felépítésí rovarok gyakorlatilag bármilyen szárnyforma esetén a levegőben képesek maradni.

Az élőlények különböző módszerrel haladnak: amikor a szervezet méretei túllépnek egy bizonyos nagyságot, a haladásban a csillókat az izmok váltják fel. Ez elkerülhetetlen, mivel a test súlya jóval gyorsabban növekszik, mint a felület, és egy bizonyos idő után a felületen nem marad hely annyi csilló számára, amennyi a mozgáshoz szükséges lenne.A szervezetet a környezet nem alakítja közvetlenül: az ellenkező elgondolás ugyanazon logikai előfeltételek miatt tarthatatlan, mint amelyek szerint nem lehetnek a gének kizárólag és egyértelmíen felelősek a fejlődésért és a viselkedésért. Ezt a nézetet helyettesíti jelenleg a reakciónorma fogalma. Ez az élőlények igen széles körét fogja át, amelynek határain belül a környezet megvalósítja az örökletes lehetőségeket. Minden alapunk megvan annak feltételezésére, hogy a reakciónorma területe olyan nagy lehet, amilyenről a klasszikus genetika alkotói nem is álmodtak. A fejlődésbiológia eredményei azt mutatták, hogy a morfológiai szerkezetek igen kicsiny számú, kezdeti genetikai instrukciók ellenőrzése alatt keletkeznek. Az instrukció külső környezet által történő puszta változása komoly jelentőségí lehet a szervezet formája szempontjából, azonban annak fejlődése továbbra is a reakciónorma keretein belül marad.

Az olvasó előtt már valószíníleg világos, hogy a nehézségi erőnek a szervezetek fejlődésére gyakorolt hatásáról egyelőre nincs általános érvényí, kielégítő elmélet. Az erőfeszítések jelenleg arra irányulnak, hogy kísérleti kutatások segítségével, gyakorlati alapokon határozzák meg a nehézségi erő változásával kapcsolatban a különféle szervezetek reakciónormáit. Ilyen kutatások folynak a bioszputnyikokon, centrifugákban és olyan míszerekben, amelyek a súlytalanság állapotát imitálják. Számos meglepő kísérleti eredmény születik. Az állatokkal centrifugában végzett kísérletek során például gyakran megfigyelhetők a csontváz kóros elváltozásai. Az ólomsúlyokkal nehezített „ruhában” felnövő bárányok minden szempontból normálisan fejlődtek, kivéve patájukat. Ez az elméletnek megfelelően megvastagodott. Gabonával végzett kísérletben, amikor a nehézségi erő a szárral párhuzamosan hatott, a növények 100 g gyorsulással nőttek függőleges irányban. Ezután hajlani, töredezni kezdtek, néhány oldalirányba fejlődött. A 100 g gyorsulás az a határ, amelyet a Galilei-féle elmélet említ…A rokon fajok közül a kisebb testí állatok jobban viselik el a centrifugában végzett kísérleteket, a nagyobb testí állatok szilárdsági tartaléka jóval kisebb.

 Ezt egy átfogó fejlődési stratégia határozza meg, amely mindig kettős. Az állatok növekedését a fejlődés a lehető leggazdaságosabban igyekszik elősegíteni, így az építőanyag szilárdságának kevés tartaléka marad. Természetes körülmények között a nagy testí állatokat ez egyáltalán nem zavarja. Biztonságukat itt nemcsak a felépítés szilárdsága garantálja, de a fokozott óvatosság is. Ezen állatok érzékszervei és központi idegrendszere jóval fejlettebb társaikénál. A centrifugában végzett kísérletben azonban a fokozott viselkedési alkalmazkodás nem jut érvényre, itt mindenért a csontváz felel.Az írben a megváltozott nehézségi erő körülményei között folytatott kísérletek nemcsak gyakorlati jelentőségíek, de értékesek az evolúciós biológia szempontjából is. A nehézségi erő egyike azoknak a körülményeknek, amelyekről nem veszünk tudomást, mivel az mindig volt, és mindig lesz. A nehézségi erőt ugyanúgy nem érzékeljük, mint a tiszta vizet és a friss levegőt.

Amikor felsoroljuk az élet keletkezéséhez nélkülözhetetlen feltételeket, a nehézségi erőt általában nem említjük. Vajon helyes-e ez?

Lehetséges, hogy a nehézségi erő nemcsak mint az eget, a szárazföldet, és a vizet létrehozó formális ok míködik. Lehetséges, hogy a nehézségi erő változása nemcsak az atmoszférában és a litoszférában mutatkozik meg, de a fejlődési folyamatban is, és azt kiismerhetetlen labirintussá teszi? §


  • Mi újság ’81 óta?
    Megkérdeztünk egy tudóst, hogy az elmúlt években milyen változások történtek, milyen új kutatási eredmények születtek a gravitáció és a növekedés összefüggéseiről, illetve a nehézségi erőnek az élő szervezetekre gyakorolt hatásairól:
    – Már az írutazás kezdeteitől vizsgálták, hogy milyen hatások érik az írben a növények, állatok és az ember szervezetét, de ezeket a vizsgálatokat a hidegháborús korszellemnek megfelelően elég nagy titok övezte, főként az oroszok kutatásairól nem lehetett sokat tudni – mondja dr. Valkai Sándor, az MTA Szegedi Biológiai Központjának biofizikusa. – Az amerikaiak viszont elég sok vizsgálatot publikáltak, s ma már az orosz eredmények is kezdenek napvilágra kerülni. &Iacutegy azt is lehet tudni, hogy a gravitáció hiánya meglehetősen sok változást okoz a szervezetben. Mivel a gerincet egyenesen tartó izmoknak a súlytalanság állapotában nincs nagy szerepük, elég hamar elkezdenek visszafejlődni, és azok a lassabb, erős izmok, amelyek a testtartásért felelősek, a körülmények hatására gyorsabb, de csak kisebb erő kifejtésére alkalmas izomszövetté kezdenek átalakulni. A gravitáció megszínése okozza az úgynevezett írnáthát is, amely azért kellemetlen, mert az utazó orra teljesen eldugul, és nem lehet kitisztítani. Egy hosszabb írutazás a csontvázra is hatással van. A csontozat dinamikus egyensúlyban van: egyrészt folyamatosan lebontódik, de közben nő is, új csontszövet is tapad ki. A keletkező sejtek letapadását a Földön a gravitáció segíti, a súlytalanság állapotában azonban csak lebegnek a közegben, és elég sok elpusztul, ezért csökken a csonttömeg. Nem véletlen, hogy nem látjuk, hogyan szállnak ki a hosszabb írutazásról visszaérkező asztronauták, mert – főképp az izmok gyengülése miatt – a járás, de néha még a légzés is nehézséget okoz, így nem valószíní, hogy a saját lábukon el tudják hagyni az írkabint.

    Az allometria tudományában, amely a cikk idején még gyerekcipőben járt, azóta sok előrelépés történt. Ez a tudomány élő szervezetek különböző jellemzői közötti összefüggések felkutatásával foglalkozik. Megfigyelték például, hogy összefüggés van az élőlények testtömege és a szívverés gyorsasága, illetve a légzés ritmusa között, de a repülő állatok optimális repülési sebessége és testtömege között is. Ez utóbbi összefüggés igaznak bizonyult a repülőgépekre is. Az ún. konstrukciós elmélet szerint az élő rendszer úgy változik – alkalmazkodva a körülményekhez –, hogy optimális legyen (például a csontok belső szerkezete is úgy alakul növekedés közben, hogy minél kevesebb csontanyag felhasználásával minél erősebb legyen). Megfelelő analógiákat találva ezt alkalmazva lehet például egy város közlekedési rendszerét kialakítani. Egy másik példa, hogy egy fa gyökérzetének növekedését megfigyelve terveztek minimális anyag felhasználású, mégis nagyon erős autóalkatrészt.