De verstoringen van menselijk circadiaanse ritmes op Mars

De verstoringen van menselijke circadiaanse ritmes op Mars

Justin Adjiembaks, Thom Groenewegen, Mathijs Harmsen

| 10641408, 10752463, 10589074 |

Universiteit van Amsterdam

Januari 2018

Begeleiders: Martijn Egas & Jelle Zandveld

Samenvatting

Het wonen op een andere planeet, zoals Mars, is qua technologische ontwikkelingen in een aanne-melijke tijd binnen handbereik. Echter is de mens ge¨evolueerd op Aarde en heeft zijn circadiaanse ritmes aan deze omgeving aangepast. In deze studie wordt onderzocht of abiotische milieufactoren op Mars zoals daglengte, kleur licht, zwaartekracht en magnetisch veld de menselijke circadiaanse rit-mes doen verstoren en of deze verstoringen te verhelpen zijn. Uit onderzoek blijkt dat het menselijk circadiaanse ritme op Mars continu verstoort wordt door deze vier milieufactoren. Hierdoor worden slaap-waakritmes, alertheid en andere biologische ritmes verstoort. Het is mogelijk entraind te raken aan de daglengte van Mars. Kunstmatige licht en een kunstmatig magnetisch veld zijn realiseerbaar waardoor deze als maatregel ingezet kunnen worden om verstoringen tegen te gaan. Het effect van verminderde zwaartekracht is niet door kunstmatig zwaartekracht te verhelpen. Geconcludeerd kan worden dat circadiaanse ritmes verstoord zullen raken die niet allen tegengegaan kunnen worden.

Inhoudsopgave

1 Inleiding 3

1.1 Casus uitleg . . . 3

1.2 Knowledge gap en state-of-the art kennis . . . 3

1.3 Probleemstelling . . . 3 1.4 Hoofdvraag . . . 3 1.5 Deelvragen . . . 3 1.6 Opbouw verslag . . . 4 2 Theoretisch kader 4 2.1 Biologische klok . . . 4 2.2 Het Marsmilieu . . . 6 2.2.1 Daglengte . . . 7 2.2.2 Licht . . . 7 2.2.3 Zwaartekracht . . . 7 2.2.4 Magnetisch Veld . . . 7 3 Resultaten 8 3.1 Verstoort het verschil in daglengte circadiaanse ritmes? . . . 8

3.1.1 Conclusie daglengte . . . 8

3.2 Verstoort het verschil in zichtbaar licht circadiaanse ritmes? . . . 9

3.2.1 Conclusie Licht . . . 9

3.3 Verstoort het verschil in zwaartekracht circadiaanse ritmes? . . . 9

3.3.1 Conclusie Zwaartekracht . . . 10

3.4 Verstoort het verschil in magnetisch veld circadiaanse ritmes? . . . 10

3.4.1 Conclusie Magnetisch veld . . . 11

3.5 Welke interventies zijn er mogelijk om verstoringen tegen te gaan? . . . 11

3.5.1 Daglengte . . . 11 3.5.2 Licht . . . 11 3.5.3 Zwaartekracht . . . 11 3.5.4 Magnetisch veld . . . 12 4 Conclusie 13 5 Discussie 13

1

Inleiding

1.1

Casus uitleg

De wereld populatie stijgt en doet dit al eeuwen (United-Nations, 2016). Aangezien de technologi-sche ontwikkeling nog altijd doorgaat en het reizen naar andere planeten binnen handbereik lijkt, rijst de vraag of het voor ons mogelijk is om ons wel-licht naar een ander planeet te verplaatsen (Young, 1993; SpaceX, 2017). Is het voor de mens mogelijk om op een andere planeet te leven? Mars is een pla-neet dat relatief dichtbij de Aarde staat en op veel vlakken vergelijkbaar is met de Aarde (Fegley & Prinn, 1987). Zullen de eigenschappen van de mens die door evolutie in ons systeem zitten in stand ge-houden worden? Een belangrijk eigenschap van de mens is dat deze circadiaanse ritmes heeft (Panda et al., 2002). Naar deze ritmes op Aarde is al veel onderzoek gedaan (Panda et al., 2002).

1.2

Knowledge gap en state-of-the

art kennis

Zo is in 2017 de Nobelprijs voor de Geneeskunde gegaan naar Michael W. Young, Michael Rosbash en Jeffrey C. Hall voor hun onderzoek naar de mo-leculaire mechanismen die circadiaanse ritmes re-gelen (Comitee, 2017). Over het mechanisme op moleculair niveau en op fysiologisch niveau is veel onderzoek gedaan en een eenduidig beeld kan ge-geven worden over de werking hiervan. Ook is er al veel onderzoek gedaan naar oorzaken en gevol-gen van verstoringevol-gen van ritmes en het tegevol-gengaan van deze verstoringen.Zogenaamde circadiaanse rit-mestoornissen kunnen leiden tot ernstige psycholo-gische schade en vermoeilijkt het functioneren van mensen aanzienlijk (Dagan, 2002)

De noodzaak voor aandacht voor circadiaanse rit-mes tijdens menselijke ruimtevaart wordt bena-drukt, omdat de omgeving in de ruimte volledig anders is dan op aarde. De afwezigheid van bijvoor-beeld een vast dag- en nachtritme, zwaartekracht, en natuurlijk licht worden gezien als mogelijke fac-toren die ritmes versfac-toren en daardoor de presta-ties verslechteren van astronauten, met alle gevol-gen van dien.

Voor de kolonisatie van Mars is een grote data-gap; er zijn nog geen mensen geweest die naar Mars zijn gereisd en daar hebben geleefd. Hedendaags wor-den de effecten van het Marsmilieu op de mens on-derzocht door middel van simulaties te cre¨eren van het Marsmilieu. Een voorbeeld hiervan is HI-SEAS van NASA, waarin op Hawaii een habitat werd ge-cre¨eerd wat lijkt op dat van Mars (Siceloff, 2015). Alleen in de meeste van deze onderzoeken is er nog niet onderzoek gedaan naar het langdurig wonen op het ritme van Marsdag.

Ook een simulatie waar het natuurlijk licht en de

zwaartekracht van Mars is nagebootst mist. Voor de rest is de data uit deze simulaties erg klein; het is lastig en kostbaar om Marssimulaties op te stellen op de Aarde. Daarom kan de geringe data als in-significant worden gezien. Wel is er veel meer ken-nis over mensen in de ruimte en hoe de verschil-lende abiotische milieufactoren daar effect hadden op mensen.

1.3

Probleemstelling

Het is dus belangrijk om het effect van andere mi-lieufactoren op de mens te onderzoeken. De om-geving op Mars is op verschillende aspecten anders dan dat op aarde.

Een dag op Mars duurt bijvoorbeeld ongeveer 40 minuten langer dan op Aarde (Fegley & Prinn, 1987). Ritmes die op Aarde ge¨evolueerd zijn op basis van de daglengte, zichtbaar licht, zwaarte-kracht en magnetisch veld kunnen hierdoor ver-stoord raken. Dit heeft tot gevolg dat leven op Mars door verstoringen in circadiaanse ritmes misschien wel niet mogelijk is. Het circadiaans ritme beheert allerlei menselijke patronen in het li-chaam waaronder de lili-chaamstemperatuur, slaap-waakritmes, breinactiviteit, bloeddruk, cel regene-ratie, metabolisme, gedrag en hormoonhuishouding (Bell-Pederson et al., 2005).

Mocht de mens verstoort raken in het circadiaanse ritme, dan kan het zijn dat deze verstoringen kunst-matig te verhelpen zijn. In het verslag zal dus het volgende onderzocht worden

1.4

Hoofdvraag

Welke effecten heeft het Marsmilieu op het circadiaanse ritme en hoe kunnen eventuele verstoringen worden tegengegaan?

1.5

Deelvragen

Voor dit onderzoek zijn vier verschillende abioti-sche milieufactoren gekozen. De vier abiotiabioti-sche mi-lieufactoren zijn: daglengte, zichtbaar licht, zwaar-tekracht en magnetisch veld. Voor het onderzoek moet aan de ene kant beschreven worden hoe de abiotische factoren verschillend zijn tussen Aarde en Mars. Daarnaast moet onderzocht worden welk van deze factoren van invloed zijn op circadiaanse ritmes. Zo wordt duidelijk afgebakend welke fac-toren onderzocht gaan worden per deelvraag. De integratie van de verschillende disciplines zal later aanbod komen.

De vier abiotische milieufactoren zullen opgedeeld worden in deelvragen. Zo zal er per deelvraag ge-keken worden naar wat voor effecten een milieu-factor heeft op de circadiaanse ritmes. Daarnaast vragen de abiotische factoren die verstoringen ver-oorzaken om oplossingen. Deze oplossingen

wor-den vanuit theoretische kennis uit onderzoek van-uit (neuro)biologie getransformeerd in praktische aanbevelingen. Deze praktische oplossingen zullen voornamelijk via de natuurkunde opgesteld worden. De deelvragen die in dit onderzoek naar voren ko-men zijn dus als volgt:

• Verstoort het verschil in daglengte circadi-aanse ritmes?

• Verstoort het verschil in zichtbaar licht circa-diaanse ritmes?

• Verstoort het verschil in zwaartekracht circa-diaanse ritmes?

• Verstoort het verschil in magnetisch veld cir-cadiaanse ritmes?

• Welke interventies zijn er mogelijk om versto-ringen tegen te gaan?

1.6

Opbouw verslag

Om een uiteindelijk antwoord te kunnen vinden op de gestelde hoofdvraag zullen verschillende metho-des toegepast worden. Het onderzoek zal een litera-tuuronderzoek worden. Uit vooronderzoek is geble-ken dat er genoeg materiaal bestaat dat bruikbaar is voor het beantwoorden van de hoofdvraag. Om de hoofdvraag te beantwoorden, zijn deelvra-gen opgesteld om de verschillende aspecten duide-lijk te kunnen beantwoorden. Het antwoord op de hoofdvraag zal vanuit drie verschillende disciplines benaderd worden. De disciplines zijn natuurkunde, biologie en neurobiologie. Het onderzoek dat ge-daan is binnen deze disciplines, is erg afgebakend. Dit houdt in dat het gedane onderzoek voorname-lijk vanuit een specifieke discipline wordt benaderd. Voor dit onderzoek is volledige integratie tussen de drie disciplines nodig.

De integratie is belangrijk omdat het onderzoek bestaat uit verschillende principes. Om te begin-nen het Marsmilieu. Het begrijpen van het Mars-milieu zal vanuit de natuurkunde beschreven wor-den. Principes waar een (neuro-)bioloog bijvoor-beeld geen verstand van heeft zijn een verminde-rende zwaartekracht en de afwezigheid van een mag-netisch veld. Aan de andere kant heeft het Marsmi-lieu wel effect op het functioneren van ons brein en de genetische uitwerking daarvan. Principes waar een natuurkundige weinig verstand van zal hebben. Dit maakt duidelijk dat een interdisciplinaire aan-pak noodzakelijk is.

Vanuit de biologie en neurobiologie zal voornamelijk gekeken worden naar de werking van circadiaanse ritmes. Hierin focust biologie op de werking van de genen die betrokken zijn bij de circadiaanse ritmes en vanuit de neurobiologie zal onderzocht worden hoe het brein de entrainment in stand houdt. Zo-als al eerder vermeld, de natuurkunde zal zich in

het begin voornamelijk richten op het Marsmilieu en later op het bedenken van oplossingen voor de problemen op Mars. Daarbij is het beschrijven van de verschillen tussen Mars en Aarde belangrijk. De verschillen zijn zo belangrijk, omdat er nog geen on-derzoek gedaan is naar de werking van circadiaanse ritmes op Mars. Dus vanuit de biologie en neuro-biologie zal gezocht worden naar hoe de verschil-len toepasbaar zijn op het onderzoek dat gedaan is naar circadiaanse ritmes. Een voorbeeld, Mars kent een kleinere zwaartekracht dan op Aarde. Er is geen onderzoek gedaan naar het precieze effect van de zwaartekracht op Mars. Wel is er onderzoek gedaan naar het effect van microgravity, een zwaar-tekracht die bijna gelijk is aan nul. Aan de biologie en neurobiologie de taak om te bepalen hoe zwaar microgravity meetelt, kijkend naar de verminderde zwaartekracht op Mars.

Omdat alle verschillen van Mars en Aarde te veel zijn voor een onderzoek, is er bewust gekozen voor vier verschillen: verschil in zwaartekracht, verschil in daglengte, verschil in lichtintensiteit en verschil in magnetisch veld. Uit vooronderzoek kwam naar voren dat deze verschillen al in meerdere onderzoe-ken gebruikt zijn als effector op circadiaanse ritmes. Het doel van dit literatuuronderzoek is niet om te concluderen of wij als mens op Mars kunnen gaan wonen, maar of het mogelijk is om de circadiaanse ritmes aan te passen naar een omgeving als Mars.

2

Theoretisch kader

2.1

Biologische klok

Een circadiaans ritme is een biologisch ritme met een periodiciteit van ongeveer 24 uur. Gedurende 24 uur zijn er fluctuaties in fysiologische functies. Deze fluctuaties zijn een anticipatie op een bepaald moment op de dag. Het systeem wat het ritme in stand houdt kan zo gepaste reacties tot stand bren-gen in het gedrag of het metabolisme van een orga-nisme door tijd-specifieke signalen te sturen. Hier-door kan een organisme precies aangepast zijn op zijn omgeving. Wanneer de klok weet rond welke tijd het nodig is te gaan slapen, kan er al eerder me-latonine aangemaakt worden zodat we slaperig wor-den. Zo kan een organisme voor bepaalde momen-ten dus optimale gedrag tot stand brengen (Reppert & Weaver, 2002).

De ritmes zijn bovendien endogeen. Dit betekent dat de ritmes zelfstandig bestaan en effect hebben. De fluctuaties in cortisol of melatonine hebben hun eigen klok die deze 24-uursritmes tot stand bren-gen. De fluctuaties komen dus niet tot stand door externe factoren. Er is wel een wisselwerking met de omgeving die de ritmes kunnen synchroniseren aan het dagritme van de omgeving. Het brein van zoogdieren heeft een meesterklok, een bundel

neuro-nen genaamd de suprachiasmaticus nucleus (SCN) en bevindt zich in de hypothalamus (Mieda et al., 2015; Toh, 2008). De SCN synchroniseert zich aan de omgeving en op zijn beurt synchroniseert de pe-rifere klokken aan zichzelf en aan elkaar. Dit proces van dubbele synchronisatie wordt entrainment ge-noemd (Toh, 2008; Welsh et al., 2010).

Entrainment werkt als volgt:

• Ten eerste ontvangt de SCN directe informa-tie van het retina, via een kleine bundel gan-glioncellen. Dit zorgt er voor dat de SCN zich kan synchroniseren met het dag- en nacht-ritme (Welsh et al., 2010; Toh, 2008). • Ten tweede heeft de SCN georganiseerde

kop-pelingsmechanismen die verdeeld zijn door het brein. Met dit mechanisme kan de interne klok gesynchroniseerd blijven, zelfs tijdens een continue donkere periode (Welsh et al., 2010).

• Als laatste is de SCN in staat signalen te vu-ren die een werking hebben op de rest van de cellen in het lichaam en hun circadiaanse rit-mes (Welsh et al., 2010).

Dit tezamen zorgt er voor dat de SCN ons dag-en nachtritme synchroniserdag-en aan de omgeving dag-en daarmee ook andere klokken in perifere weefsel te synchroniseren. Niet alle cellen hebben een dag-en nachtritme maar kunndag-en ook edag-en andere tril-ling kennen dan die van dag en nacht (Welsh et al., 2010).

Factoren die entrainment veroorzaken noemen we zeitgebers. Licht is de belangrijkste zeitgeber (Rep-pert & Weaver, 2002; Toh, 2008) Tijdens de sche-mering verschuift het licht van blauw daglicht naar rood licht. Overdag wordt melatonineproductie on-derdrukt door blauw licht, deze onderdrukking ver-dwijnt bij de schemering. Het vrijkomen van mela-tonine maakt het lichaam klaar om te gaan slapen. De schemering is daarmee het ijkpunt van een be-paald moment van de dag (Reppert & Weaver, 2002; Toh, 2008). Andere zeitgebers zijn sociale interac-tie, lichaamsbeweging, eetpatronen, temperatuur of medicijnen (Sharma & Chandrashekaran, 2005). De SCN ontvangt dus via verschillende wegen infor-matie voor entrainment. Deze entrainment heeft ge-nexpressie binnen verschillende moleculaire compo-nenten als gevolg. De vorming van eiwitten met ver-hoogde stabiliteit beginnen heterodimeren1 _te

vor-men in het cytoplasma. Vervolgens gaan deze he-terodimeren weer terug in de nucleus (Toh, 2008). De schematisch beschrijving van deze feedbackloops wordt weergegeven in Figuur 1. Het is voor de vor-ming van de eiwitten, en daarmee de heterodime-ren, noodzakelijk dat ze de juiste vorm aannemen. Mocht dit niet het geval zijn, bestaat de mogelijk-heid dat het complex niet meer de cel in kan om

daar weer functioneel te zijn (Toh, 2008). Dit zou gevolgen kunnen hebben voor de instandhouding van circadiaanse ritmes.

Figuur 1: Een schematische weergave van de po-sitieve en negatieve feedbackloops. Vorming van heterodimer CLOCK-BMAL1 ontstaat na synthese van CLOCK en BMAL1. CLOCK-BMAL1 is een transcriptieactivator. CLOCK-BMAL1 gaat ver-volgens de cel binnen en zorgt voor activatie van ge-nen Rcr, Rev-Erb, Per en Cry. Na synthese van van PER en CRY ontstaat er een tweede heterodimeer. Het complex PER-CRY kan de cel binnentreden en zorgt voor inhibitie van CLOCK-BMAL1. Eiwit-ten RCR en REV-ERB kunnen afhankelijk van de gekregen input het complex CLOCK-BMAL1 acti-veren of inhiberen. De feedbackloop van deze cyclus duurt ongeveer 24 uur (Toh, 2008).

Een ander 24-uursritme wat organismen hebben is een diurnaal ritme, het verschil tussen circadiaanse en diurnale ritmes is dat van circadiaanse ritmes be-wezen is dat de ritmes endogeen zijn. Ze zijn niet afhankelijk van externe factoren om 24-uursritmes tot stand te brengen, diurnale ritmes worden wel volledig door externe factoren tot stand gebracht. De endogeniteit van circadiaanse ritmes komt zo-als eerder gezegd door de klokgenen. Dat de klok-genen een autonome feedbackloop van ongeveer 24 uur hebben is zeker. Onderzoek heeft namelijk la-ten zien dat de circadiaanse ritmes van mensen die in een omgeving leven waar het daglicht niet over-eenkomt aan een normale dag, in stand zullen blij-ven en een periodiciteit van gemiddeld 24 uur en 10 minuten volgen. In deze zogenaamde forced de-synchronization onderzoeken stopt het lichaam de zeitgeber licht te gebruiken en zal de biologische klok de ritmes volledig via de klokgenen besturen (Czeisler, 1999).

Onderzoek naar circadiaanse ritmes wordt gedaan

via verschillende protocollen. Zoals net al genoemd wordt een forced desynchronization protocol ge-bruikt om de endogene periodiciteit van lichaams-functies te bepalen. Forced desynchronization komt tot stand door het lichaam in een situatie te plaat-sen waarin de milieufactoren niet een 24-uursritme volgen. Ritmes worden in kaart gebracht zoals in onderstaand figuur 2.

Figuur 2: De attributen van een circadiaans ritme (bovenste) en zeitgeber (onderste) evenals de de re-latie tussen de twee in de entraind toestand wordt schematisch weergegeven. Het circadiaanse ritme (benaderd als een sinusgolf) toont de acrofase (tijd van maximum) als zijn fasereferentiepunt (φ max). De zeitgeber (benaderd als een blokgolf) toont het fasereferentiepunt (ΘON) als de tijd van verande-ring van minimum naar maximum. De fasehoek (Ψ) is het tijdsverschil tussen de zeitgeber en het ritme (ΘON tot φ max). De ritme- en zeitgebercy-cli worden respectievelijk beschreven in termen van maximum (max: MAX), minimum (min: MIN) en gemiddelde (x: X). Bovendien is er een cyclusbereik (r: R; maximum tot minimum), amplitude (a: A; maximum of minimum tot gemiddelde) en periode (z: T; tijd om een cyclus te voltooien)(Fuller, 1994).

In bovenstaand figuur 2 zijn de zeitgeber en het circadiaanse ritme entraind. Wanneer dit niet het geval is, kan het zo zijn dat niet de optimale acro-fase behaald wordt omdat er een kortere acro-fasehoek is. Daarnaast kan een zeitgeber ook faseverschui-ving veroorzaken en dus voor entrainment zorgen of voor desynchronisatie. Hoe een zeitgeber als bij-voorbeeld licht invloed heeft op de ritmes wordt weergeven in een fase-responscurve. Zie figuur 3.

Figuur 3: Phase response curve (PRC), op de x-as beschreven het moment van de stimuli en op de y-as beschreven of dit een faseverschuiving (phase shift) veroorzaakt die dan wel een vertraging (delay) of een vervroeging (advance) is) (Selwood, 2016) Dit figuur 3 komt tot stand door een subject bloot te stellen aan een zeitgeber, zoals licht op een be-paald moment te schijnen en dan te meten hoe de melatonineproductie verloopt. Wanneer dit verge-leken wordt met de melatoninewaarde van een nor-male dag zonder stimuli op dat moment, kan gezien worden of het effect van de zeitgeber op een bepaald moment een vervroeging van de ritmes veroorzaakte (advance) of een vertraging (delay). Zoals hier te zien treedt er een vertraging van je ritmes op wan-neer je aan het begin van de nacht aan licht bloot-gesteld wordt, je brein denkt dat de zon nog niet ondergaat en wacht dus met het lichaam klaarma-ken voor slaap en gaat dus nog niet meer melato-nine aanmaken. Wanneer een slapend subject in de ochtend blootgesteld licht wordt, ontstaat er een vervroeging van de ritmes. Het brein reageert alsof de zon eerder opkomt en het lichaam dus al wakker moet worden en vervroegt daarom de ritmes. Onderzoek naar de moleculaire mechanismes van de circadiaanse klokken kan worden gedaan door te kijken naar andere organismen. Aanwijzingen van andere organismen kunnen gebruikt worden omdat circadiaanse ritmes heel vroeg in de geschiedenis van het leven zijn ontstaan. Dit houdt in dat rit-mes in alle organisrit-mes eenzelfde oorsprong hebben en dus gelijke eigenschappen hebben.

2.2

Het Marsmilieu

De omgeving van Mars is op verschillende vlakken anders dan die van Aarde. Zo verschillen onder an-dere de temperatuur, hoeveelheid kosmische stra-ling en samenstelstra-ling van de atmosfeer (Fegley & Prinn, 1987). Om te overleven op Mars zullen deze factoren in eerste instantie genormaliseerd moeten worden aan een waarde vergelijkbaar van die op Aarde, voor een re¨ele kans op overleven voor de mens. Er zal in het verslag aangenomen worden dat deze factoren met (meerdere) maatregelen ge-normaliseerd zijn op Mars. Deze abiotische

milieu-factoren zullen geen verdere rol spelen in dit onder-zoek omdat deze factoren per definitie genormali-seerd moeten indien de mens wil overleven op Mars (Jaworowski, 1999). Verder blijkt er dat er nau-welijks onderzoek is gedaan naar deze andere abi-otische factoren. De invloed van de volgende vier milieufactoren zullen besproken worden:

2.2.1 Daglengte

Een dag op Mars duurt 24 uur en 39 minuten (Fegley & Prinn, 1987). In de ruimtevaart wordt een dag op Mars sol genoemd.

2.2.2 Licht • Golflengte

De kleur van de atmosfeer op Mars is over-dag roder dan dat op Aarde. Op Mars komt er Rayleighverstoring voor (Ingersoll, 1971). Rayleighverstrooiing is verstrooiing waarbij de deeltjes die voor verstrooiing zorgen klei-ner zijn dan de golflengte van het invallend licht. Het invallend zichtbaar licht op Mars is tussen 380 (violet) en 780 nanometer (rood). De atmosfeer van Mars bestaat voor meer dan 95 % uit CO2 wat een golflengte heeft

van ongeveer 230 · 10−3 nanometer (Fegley & Prinn, 1987; Greenwood & Earnshaw, 1997). Zowel op Aarde als op Mars verstrooit er blauw licht. Op Aarde zorgt dit voor een blauwe hemel (Bohren & Huffman, 1983). Echter aangezien de atmosfeer een factor 100 dunner is op Mars, is de verstrooiing op Mars veel minder (Fegley & Prinn, 1987). Daar-naast wordt een groot deel van het blauwe licht wat op Mars verstrooid wordt geabsor-beerd door stofdeeltjes met een lengte groter dan de golflengte van zichtbaar licht. Deze stofdeeltjes golflengtes tussen 400 en 600 nm. Dit zorgt ervoor dat op Mars overdag een het rode licht overblijft en dit de kleur van de he-mel is.

Bij zonsopkomst en ondergang is de kleur van het licht op Aarde roodachtig (Bohren & Huff-man, 1983). Dit komt omdat het licht wan-neer het onder een hoek invalt een langere weg moet afleggen door de atmosfeer waar-door rood licht genoeg verstrooid is om zicht-baar te zijn. Vanwege een dunne atmosfeer op Mars is dit hier niet het geval. Op Mars zorgt Mie verstrooiing ervoor dat de zonsop-komst en ondergang blauwachtig is op Mars (Egan & Foreman, 1969). Mie verstrooiing vindt plaats wanneer licht binnenvalt onder een bepaalde hoek op deeltjes, bijvoorbeeld

stofdeeltjes, die groter zijn dan de golflengte van dat licht. Bij een kleine invalshoek ver-strooit blauw licht hierdoor beter dan rood licht, waardoor tijdens zonsopkomst en onder-gang een blauwe lucht te zien is (Egan & Fo-reman, 1969).

• Intensiteit

De afstand van de zon tot Mars is 52% gro-ter dan de afstand van de Aarde tot Mars (NASA, 2016). De zonne intensiteit op Aarde is 1.368 × 103W/m2 (Fegley & Prinn, 1987).

Intensiteit ∝ 1 af stand2 =

1

1.522 = 0.43%

(1) Bij een heldere hemel zonder licht diffractie is de intensiteit van het licht dat richting Mars gaat is 5, 89 × 102_W/m2_. 2 _{Dit is}

vergelijk-baar met 8850 lux.

Doordat Mars stofdeeltjes in de lucht heeft is de intensiteit dat het Marsoppervlakte be-reikt minder dan 43% aardse sterkte (Fegley & Prinn, 1987).

2.2.3 Zwaartekracht

Zwaartekracht is het gevolg van massa dat andere massa aantrekt. Vanwege een lagere massa en klei-nere straal van de planeet is de zwaartekracht op Mars lager dan op Aarde.

Fzw= G mmarsm2 r2 =  Gmmars r2  m2 (2) met Fzw= m2g (3) maakt dit Fzw=  Gmmars r2  F g  (4) zodat g = Gmmars r2 = 6.674 × 10 −116.39 × 1023 (3.4 × 107₎2 = 0.37 (5) De gravitatiekracht is 0,38% van dat op Aarde3

2.2.4 Magnetisch Veld

In de kern van de Aarde zit vloeibaar metaal dat een magnetisch veld van 25 to 65 micro tesla op-wekt op het oppervlak van de Aarde (Finlay et al., 2010; Jacobs, 1953). Mars heeft dit echter niet maar had dit vroeger wel. Enkele rotsen zijn nog gemag-netiseerd waardoor er een zwak magnetisch veld op de zuidpool van Mars aanwezig is. Deze heeft een

2_{0, 43 × 1.368 × 10}3_W/m2 3_{(NASA, 2016)}

maximale sterkte van 1,5 micro tesla (Stanley et al., 2008).

Figuur 4: Schematische afbeelding van de magne-tisch veld in nano tesla op het oppervlak van Mars (Stanley et al., 2008).

3

Resultaten

3.1

Verstoort het verschil in

dag-lengte circadiaanse ritmes?

Een vraag die rijst uit het theoretisch kader is of het mogelijk is voor mensen om zich aan te passen aan een ritme van een sol, terwijl circadiaanse rit-mes via evolutie aangepast zijn naar het ritme van een dag. Een aanpassing van een dag van 24 uur naar een sol van 24 uur en 40 minuten is gewenst. Een eerste aanwijzing voor flexibiliteit is dat de mens een endogene periodiciteit van 24 uur en tien minuten heeft (Czeisler, 1999). De mens is in staat tot dagelijkse entrainment van 24 uur en tien minuten door zeitgebers naar een ritme van 24 uur. Naast fasevervroeging van ritmes, treedt bij de mens ook fasevertraging van ritmes op; wan-neer mensen door tijdzones vliegen, moeten men-sen hun ritmes soms vervroegen en soms vertragen. Maar deze verandering is eenmalig en op Mars is da-gelijkse vertraging noodzakelijk; men moeten con-stante verandering van circadiaanse ritmes kunnen uitoefenen.

Als er wordt gekeken naar andere organismen kan worden gesteld dat er ten eerste flexibiliteit en ten tweede constante verandering in circadiaanse ritmes te vinden is. Ritmes korter dan 24 uur waarbij da-gelijks entrainment optreedt die de ritmes vertragen zijn aan de orde bij nachtdieren zoals de vliegende eekhoorn. Ook zijn dieren in staat zich in bepaalde gedragingen geheel af te bakenen van hun endogene klokken, zoals pasgeboren orka’s en hun moeders die soms een maand niet slapen. Ook vogels die aan de vogeltrek begonnen zijn en daarmee tijdzo-nes doorvliegen, zijn in staat zich af te schermen van de circadiaanse ritmes (Bloch et al., 2013). Onderzoek naar de flexibiliteit van entrainment is

voor deze deelvraag doeltreffend. Een eerste experi-ment onderzocht of entrainexperi-ment naar een periodici-teit van 25 uur mogelijk is.(Gronfier et al., 2007) Na een baseline4op te stellen en een forced desynchro-nization protocol werden subjecten in drie groepen verdeeld: de eerste groep leefde in periodiciteit van 25 uur waarin daglicht een intensiteit had van 25 lux. De tweede groep had dezelfde periodiciteit en een intensiteit van 100 lux. De derde groep kreeg 25 lux voor 10 uur en 100 lux voor de rest van de dag. Daarnaast werd de derde groep twee keer 45 minuten blootgesteld aan een intensiteit van 9500 lux, net voordat de nacht inging. De eerste conditie resulteerde zoals voorspeld niet voor de benodigde entrainment van de interne klok aan de 25 uur. De 100 lux conditie leidde wel tot de juiste entrainment en de derde conditie ook. Alleen de fasehoek van de tweede conditie kwam niet overeen met die van de baseline. Deze was verkort. De derde conditie leidde wel tot een fasehoek die overeen kwam met de natuurlijke fasehoek van de subjecten (Gronfier et al., 2007).

Aan Harvard is onderzoek gedaan naar de moge-lijkheid voor entrainment aan de tijdsduur van een sol. (Scheer, 2007) Zij stellen dat entrainment tot stand komt door op de juiste momenten de subjec-ten bloot te stellen aan licht. Aangegeven wordt dat de effecten van het resetten van de klok door middel van licht ten eerste fase- en ten tweede in-tensiteitafhankelijk is.

De conclusies van dit onderzoek waren dat entrain-ment aan de sol mogelijk was en dat er ook plastici-teit aanwezig is in deze entrainment. Nadat de sub-jecten de entrainment hebben verkregen bleef deze bestaan wanneer gestopt werd met de lichtprotocol-len; de subjecten vervielen niet meteen weer in de 24-uursritme . Alleen hoelang het duurt voor de mensen weer vervielen in het ritme van 24 uur is niet duidelijk, hiervoor zou het onderzoek te groot-schalig worden. Het is dus niet duidelijk hoe lang het effect van de lichtprotocollen blijft behouden, en de effecten van deze entrainment op de gezondheid is ook niet nog niet onderzocht.

3.1.1 Conclusie daglengte

Mensen kunnen entraind worden tot de Mars sol, wanneer een goed protocol van blootstelling aan licht wordt ingesteld. Deze entrainment blijft ook behouden voor een tijd na dit protocol. Hoe lang deze entrainment blijft bestaan is nog niet duidelijk en moet verder onderzocht worden, ook de gevolgen van deze entrainment is nog niet duidelijk.

4_{Een baseline is schematische weergave van hoe het slaap-waakritme van subjecten normaal is, subjecten verschillen}

3.2

Verstoort het verschil in

zicht-baar licht circadiaanse ritmes?

Uit de beschrijving van het Marsmilieu is duidelijk geworden hoe een dag op Mars eruit ziet. De dag bedraagt met de zonsopkomst even blauw licht van 400nm dan naar een dag van rood licht met 800 nm en daarna een zonsondergang weer met blauw licht. In het eerste gedeelte werd al benadrukt aan de hand van fase-responsie curves dat blootstelling aan licht op verschillende fasemomenten verschillende effecten heeft.

In brede zin kan snel geconcludeerd worden dat de kleur en de intensiteit van een sol bijdragen aan het verstoren van de circadiaanse ritmes.

Ten eerste kan gesteld worden dat de golflengte van licht op Mars de inverse is van die van op Aarde. Een blauwe zonsopkomst en -ondergang en een rode lucht tegenover een rode zonsopkomst en -ondergang en een blauwe lucht voor Mars en Aarde respectievelijk. Uit de fase responscurve werd duidelijk dat blauw licht tijdens zonsopkomst en -ondergang een fasevervroeging en -vertraging op-levert, respectievelijk.

Dit is alleen het geval als de intensiteit van licht hoog genoeg is. Aangezien de hoogste intensiteit van Mars overeenkomt met een bewolkte dag op Aarde, zal dit daadwerkelijk tot effecten leiden. Een voorbeeld van de effecten is de verstoring van het circadiaanse ritme van melatonine. Blauw licht onderdrukt de aanmaak van melatonine en dit zal dus op de verkeerde momenten op Mars gebeuren. Melatonine is een belangrijke factor voor endogene synchronisatie; het neemt deel aan het gelijkstellen van verschillende circadiaanse ritmes in het lichaam aan elkaar. Dit zal dus tot een cascade aan versto-ringen leiden (Armstrong & Cassone, 1986). Hoe het lichaam hier op reageert is niet duidelijk onderzocht. Misschien zal het lichaam reageren net zoals bij een forced desynchronization protocol en dus niet meer aan de hand van zeitgebers entrainen, maar aan de interne biochemische klokken de peri-odiciteit laten verlopen. Een andere mogelijkheid is dat het lichaam keer op keer zal proberen te en-trainen aan de omgeving en dus volledig verwarde periodiciteit veroorzaken.

3.2.1 Conclusie Licht

Verstoringen zullen elkaar blijven versterken wan-neer het lichaam zich zal blijven proberen te entrai-nen aan het Marsmilieu. Dit komt omdat de golf-lengtes per uur van een sol, de inverse zijn van die van Aarde. Ze zijn dus wel herkenbaar maar komen op precies de momenten wanneer ze juist afwezig moeten zijn. Wanneer het lichaam zich afschermt

van licht als zeitgeber zoals in een forced desynchro-nization protocol tot stand gebracht wordt, zal het een periodiciteit van de interne biochemische klok-ken gaan volgen.

3.3

Verstoort het verschil in

zwaar-tekracht circadiaanse ritmes?

Onderzoek naar zwaartekracht op de circadiaanse ritmes wordt gedaan sinds 1960. Toen mensen en modelorganismen de ruimte in werden gestuurd, konden de consequenties van het leven in microgra-vity worden onderzocht. Microgramicrogra-vity is een zwaar-tekracht van bijna 0 g waarbij massa gewichtsloos is (NASA, 2009). Alleen zijn er weinig ruimtevluch-ten gedaan en is er dus niet veel onderzoek moge-lijk geweest. Microgravity simuleren op Aarde is wel mogelijk. Het effect van 0 g op het skelet en het cardiovasculaire systeem kan worden gesimu-leerd door mensen langdurig in bed te laten liggen. In een ander experiment genaamd het Head Down Bed Rest protocol (HBDR) liggen mensen met het hoofd naar beneden onder een hoek van 6 graden. De verspreiding van lichaamsvloeistoffen in HBDR komen overeen met de verspreiding in microgravity, zo wordt microgravity nagebootst.

Voor deze deelvraag zou het passender zijn aan on-derzoek te refereren wat gaat over de 0,38 g op Mars. Het probleem alleen is dat hier geen onder-zoek naar gedaan is omdat deze zwaartekracht si-muleren niet mogelijk is op Aarde.

Het effect van microgravity heeft vaker als effect een veranderende amplitude van de circadiaans geregu-leerde factoren dan faseverschuivingen en verande-ringen in periodiciteit. Circadiaans gereguleerde factoren als lichaamstemperatuur, alertheid en li-chamelijke activiteit is verminderd tijdens ruimte-vluchten(Monk et al., 2001; Sulzman, 1992; Dijk, 2001; Gundel et al., 1997).

In de HBDR onderzoeken is gesteld dat de ampli-tude van de hartslag ritmes verminderd is en de ritmes van ontlasting en het urineren zijn verstoord (Liang et al., 2012). De amplitude van cortisol in de nacht werd groter en algehele vermindering van functionering van het autonome zenuwstelsel werd aangetoond (Liang et al., 2012).

De microgravity heeft effect op vele circadiaans ge-reguleerde factoren van de mens. Deze verstorin-gen komen tot stand doordat zwaartekracht effect heeft op verschillende niveaus van het moleculaire mechanisme achter circadiaanse ritmes. Ten eerste in de feedbackloops van de klokken zijn veranderin-gen aangetoond. Er is significante verhoging van de expressie van Cry3 en Per1 in microgravity (Allen, 2009). Ten tweede wordt de splicing5 _{van het}

pre-5_{Splicing is het proces waarin uit pre-mRNA de stukken informatie verwijderd worden (introns) en de overgebleven}

informatie (de exons) tot 1 geheel worden gemaakt. Wanneer splicing niet goed verloopt wordt niet de juiste informatie gelezen en komt niet het bedoelde eiwit tot stand

mRNA is onderhevig aan verandering door zwaar-tekrachtverschillen (Allen, 2009). Daarnaast zijn eiwitten die de klokgenen reguleren onderhevig aan verandering door zwaartekrachtverschillen. Een ei-wit wat klokgenen fosforyleert ondergaat upregula-tie van de klokgenen. Daarmee wordt de hoeveel-heid eiwitten van klokgenen verstoort.(Paul, 2011) Ook de vouwing6_{van eiwitten van klokgereguleerde}

genen wordt verstoord. (Allen, 2009)

Zoals gezegd komt entrainment van het SCN tot stand door zeitgebers. Geslachtshormonen vallen onder deze zeitgebers. De geslachtshormonen zijn onderhevig aan het effect van microgravity, dit uit zich in de ontregeling van de genexpressie. Ook voor de genexpressie van geslachtshormonen geldt een verandering in amplitude, anders dan fasever-schuivingen. De ontregeling van genexpressie heeft zo een indirect effect op het functioneren van de SCN (Karatsoreos et al., 2007; Sharma & Chandras-hekaran, 2005; Xia et al., 2014).

De secretie van geslachtshormonen vindt plaats in gonaden, organen die geslachtscellen vormen, en heeft een effect op bijna alle organen in het lichaam (Xia et al., 2014). Naast dat geslachtshormonen effect hebben op verschillende organen, kunnen ze ook circadiaanse ritmes reguleren (Karatsoreos et al., 2007).

Deze secretie volgen diurnal rhythms en/of ultra-dian rhythms (Xia et al., 2014). Zo kent testosteron een piek rond 0800 uur en vervolgens een minimum rond 2000 uur, als gevolg van diurnal rhythms in de 24-uurscyclus. Daarnaast oscilleert testosteron iedere 90 minuten als gevolg van ultradian rhythms (Xia et al., 2014).

Naast dat geslachtshormonen een zeitgeber zijn voor de SCN, reguleert de SCN ook de hormoon-secretie volgens circadiaanse ritmes. Dus er is een wisselwerking tussen de SCN en geslachtshormo-nen:enerzijds als zeitgeber voor de SCN, ander-zijds als hormonale werking volgens circadiaanse ritmes (Xia et al., 2014; Sharma & Chandrashek-aran, 2005). De regulatie van geslachtshormoonse-cretie gebeurt via een neurale systeem met verbin-ding tussen de hypothalamus, hypofyse en genoden (Xia et al., 2014).

Aan de buitenkant van de SCN bevinden zich geslachtshormoon-gevoelige receptoren, ook wel an-drogen receptors (AR) genoemd. Deze recep-toren ontvangen informatie via geslachtshormo-nen. De ontvangen informatie helpt bij entrain-ment(Karatsoreos et al., 2007).Ontregeling van geslachtshormoonsecretie heeft zowel fysiologische veranderingen als gedragsaanpassingen tot gevolg (Xia et al., 2014). Onderzoek naar gecastreerde muizen heeft aangetoond dat ontregeling in het da-gelijkse gedrag ontstaat door afwezigheid van

tes-tosteron. Muizen kregen namelijk een veel la-gere bewegingsactiviteit (Karatsoreos et al., 2007). Maar na het toedienen van testosteron werd deze activiteit weer verhoogd (Karatsoreos et al., 2007). Dus door de directe verbinding tussen geslachtshor-monen en de SCN ontstaan er ontregeling in het dagpatroon (Karatsoreos et al., 2007).

3.3.1 Conclusie Zwaartekracht

Een verminderende zwaartekracht zal zeker een pro-bleem vormen voor meerdere processen in het li-chaam. Op genniveau van de circadiaanse ritmes zijn er verstoringen van de vouwing, splicing en ex-pressie te verwachten. Dit resulteert vooral in een verandering van amplitude van de waardes van cir-cadiaans geregelde factoren als adrenaline, hartslag. Ook raken de ritmes van ontlasting en urineren ont-regeld. Daarnaast ondervindt de SCN problemen omdat entrainment indirect be¨ınvloedt raakt door de ontregeling van de zeitgeber geslachtshormonen-secretie, vanwege de verminderende zwaartekracht. Aan de andere kant kan de directe verbinding tussen AR, de SCN en geslachtshormonen helpen bij de en-trainment. Dus ontregeling door externe factoren, zoals verminderde zwaartekracht, kunnen tegenge-gaan worden door het toedienen van geslachtshor-monen.

3.4

Verstoort het verschil in

magne-tisch veld circadiaanse ritmes?

Zoals beschreven staat in het theoretisch kader kent de Aarde een magnetisch veld met een sterke van 25µT tot 65µT. In de afgelopen jaren is er maar wei-nig onderzoek gedaan naar het effect van een lager magnetisch veld dan hier op Aarde bestaat. Zeker als het gaat om effecten op moleculaire werkingen het lichaam. Wel bestaat er een onderzoek uit 1997 dat onderzocht heeft wat een verlaagd magnetisch veld voor effecten heeft op endocriene functies (Sel-maoui et al., 1997).

Selmaoui, Lambrozo en Touitou (1997) hebben een groep jonge gezonde mannen tijdens hun slaap blootgesteld aan een verlaagd magnetisch veld, na-melijk met een sterkte van 10µT. Selmaoui, Lam-brozo en Touitou (1997) hebben zich gefocust op verschillende endocriene hormonen, waaronder cor-tisol en hydroxycorticosteroids (OHCS). 17-OHCS is een marker voor adrenaline. Deze hor-monen hebben een circadiaans ritme. Tijdens de periode van 2300 uur en 0800 uur zijn de subjec-ten blootgesteld aan het magnetisch veld met een kracht van 10µT. Uit de resultaten is gebleken dat de blootstelling aan een lager magnetisch veld geen effect had op de functie en periodiciteit van de

hor-6_{Vouwing van eiwitten is cruciaal voor het herkennen van een eiwit, een verkeerde vouwing leidt er toe dat het eiwit niet}

monen (Selmaoui et al., 1997). Wel stellen Selma-oui, Lambrozo en Touitou (1997) dat de mogelijk-heid bestaat dat een langere blootstelling aan een verlaagd magnetisch veld wel effect zou kunnen heb-ben op het functioneren van de genoemde hormo-nen.

3.4.1 Conclusie Magnetisch veld

De blootstelling aan een magnetisch veld van 10µT heeft geen effect aangetoond op de werking van hor-monen als cortisol en adrenaline marker 17-OHCS. Dit zou kunnen betekenen dat het magnetisch veld op Mars geen problemen zal veroorzaken voor de circadiaanse ritmes. Wel merken Selmaoui, Lam-brozo en Touitou (1997) op dat een langdurige blootstelling aan een verlaagd magnetisch veld wel effect zou kunnen hebben.

3.5

Welke interventies zijn er

mo-gelijk om verstoringen tegen te

gaan?

Hieronder zal per abiotische milieufactor besproken worden wat de mogelijke interventies zijn.

3.5.1 Daglengte

Zoals in paragraaf 3.1 beschreven kan de mens en-traind raken aan de sol. Er is dus geen interventie nodig.

3.5.2 Licht

Blauw licht tussen 446 en 483 nm zorgt bij de mens ervoor dat deze wakkerder en alerter wordt (Chel-leppa et al., 2011).

Figuur 5: Electromagnetisch spectrum van 400 tot 500 nm. (Giancoli, 2008)

Overdag ontbreekt dit op Mars waardoor men zijn hoeveelheid melatonine vergroot en men slaperig wordt. (Wright & Lack, 2001).

Zoals eerder genoemd (paragraaf 2.1.1) vindt er op Mars Rayleighverstrooiing plaats.

I = I0 1 + cos2θ 2R2  2π λ 4_{ n}2_{− 1} n2_{+ 2} 2_{ d} 2 6 (6)

Met de formule (6) hierboven is de intensiteit (I) van de verstrooide licht te berekenen.7 Blauw licht (±400 nm) verstrooid ongeveer 16 keer zo veel dan rood licht (±800 nm) vanwege de golflengteafhan-kelijkheid (7).

 1 λ

4

(7)

Echter wordt het blauw licht voor een groot deel geabsorbeerd door stofdeeltjes. Wanneer deze deel-tjes verminderd zouden kunnen worden, zou dit een oplossing voor het probleem zijn. Aangezien er geen onderzoek gedaan is naar het verminderen van stof-deeltjes op Mars is het niet mogelijk om vast te stellen of dit daadwerkelijk kan. Een andere op-lossing om is om kunstmatig de schijn te wekken dat er overdag blauw licht is en in de avond rood licht. Dit kan gedaan worden door absorptie-filters te gebruiken. Er moet gekozen worden voor absorp-tiefilters die niet de gehele intensiteit van golflengte absorberen. Dit zorgt ervoor dat de intensiteit van ongewenste kleuren verminderd wordt en tegelijker-tijd de kleur wel waarneembaar blijft op Mars.

3.5.3 Zwaartekracht

Volgens de gravitatiewet van Newton (in paragraaf 2.2.3) moet of de massa van Mars vergroot wor-den of de straal verkleind worwor-den om een vergelijk-bare zwaartekracht als op Aarde te cre¨eren. Aan-gezien het niet re¨eel haalbaar is om de zwaarte-kracht van Mars te vergroten of straal te verkleinen moet er gezocht worden naar vormen van kunstma-tige zwaartekracht om de schijn te wekken van de Aardse zwaartekracht om circadiaanse verstoringen tegen te gaan. Zwaartekracht wordt ervaren door-dat de mens het gevolg van de normaalkracht erva-ren. Deze zorgt ervoor dat de continue versnelling van 9.81 m/s2 _{ervaren wordt. Kunstmatig}

zwaar-tekracht cre¨eren kan op drie manieren: lineaire snelling, rotatie of diamagnetisme. Het lineair ver-snellen van personen op Mars is niet haalbaar. Dit zou betekenen dat personen zich continu moeten versnellen en dus verplaatsen tot een snelheid die gelijk is aan oneindig. Rotatie zorgt voor de middel-puntzoekende kracht. In de ruimte zou dit kunnen zorgen voor een schijn van zwaartekracht.

7_{Formule voor Rayleighverstrooiing. Hierbij is λ de golflengte van het invallend licht, R de afstand tot het deeltje, d de}

Figuur 6: Schematische afbeelding van kunstma-tige gravitatie door rotatie van een kubus bij een planeet.(Giancoli, 2008)

1) De richting van de gravitatiekracht.

2) De richting van de verplaatsing door rotatie. 3) De resulterende kracht.

Aangezien er op Mars al zwaartekracht is van 0.38 g moet de versterking van deze kracht in dezelfde richting zijn, dus richting het middelpunt van de planeet. Echter is er geen methode om ´en op Mars te blijven ´en kunstmatige zwaartekracht te cre¨eren in de richting van het middelpunt van Mars. De resulterende kracht (zoals te zien in de afbeelding hierboven) zal dus nooit naar het middelpunt wij-zen. Rotatie is dus geen mogelijkheid.

Als laatst zou er door middel van diamagnetisme kunstmatige zwaartekracht gecre¨eerd kunnen wor-den. Dit is een vorm van magnetisme waarbij niet magnetische materie8_{, zoals water, door zeer sterke}

magneten aangetrokken worden.

In theorie is het mogelijk om een veld te cre¨eren waarbij mensen het gevoel van zwaartekracht er-varen. Echter is dit toch geen haalbare oplossing. Dit is omdat vergelijkbaar onderzoek enkel uitge-voerd is bij kikkers waarbij een schijnbare levitatie optreedt (Berry & Geim, 1997).

Bij een omgekeerde vorm van levitatie zouden de magneten niet doorbroken in de lucht moeten han-gen. Daarnaast vereist het ’aantrekken’ van men-sen kolonies in een grote ruimte sterkere magneten dan hetgeen nu beschikbaar is. Mochten deze wel beschikbaar zijn dan zou dit voor een enorm mag-netische veld zorgen die slecht voor de gezondheid is (Savitz & Loomis, 1995; Savitz et al., 1999). Kortom is het niet mogelijk om een natuurkundige en adequate interventie mogelijkheid te vinden om het zwaartekrachtverschil te compenseren.

Maar de kans bestaat dat de neurobiologie mogelijk-heden kan bieden. Zoals al eerder beschreven ont-regelt microgravity moleculaire mechanismen ach-ter circadiaanse ritmes; ook de SCN raakt ontregelt hierdoor.

Belangrijk is te weten dat geslachtshormonen meer-dere processen in het lichaam reguleren: dit zijn onder andere slaap, cognitieve functies en seksu-eel gedrag. Een te lage hoeveelheid testosteron in het lichaam zou depressieve klachten tot gevolg kunnen hebben (Xia et al., 2014). Als het hor-monale systeem ontregelt raakt door verminderde zwaartekracht, dan geldt dit ook voor geslachtshor-monen. Maar ergens aan de buitenkant van het SCN bevinden zich androgen receptors (AR). Dit zijn geslachtshormoon-gevoelige receptoren die di-rect input krijgen van de geslachtshormonen (Ka-ratsoreos et al., 2007). En zoals al eerder beschre-ven, bestaat de kans dat geslachtshormonen zelf een circadiaans ritme kunnen genereren. Dit zou betekenen dat, door het toedienen van geslachts-hormonen, de SCN be¨ınvloed kan worden; met en-trainment als gevolg (Karatsoreos et al., 2007). Dit zou verstoringen door zwaartekracht tegen kunnen gaan. En daarmee een oplossing kunnen bieden voor verschillende klachten als slaapproblemen en depressie. In figuur 7 is een schematische beschrij-ving weergegeven.

Figuur 7: In deze afbeelding is te zien wat het idee is achter de wisselwerking tussen microgravity, de SCN en geslachtshormonen (Xia et al., 2014). Het nadeel blijft dat verminderde zwaartekracht ook invloed uitoefent op moleculaire processem als splicing en vouwing. Als dit effect groot genoeg is op Mars, dan mag verwacht worden dat dit proble-men blijft geven voor de uiteindelijke eiwitstructuur en daarmee de functie. Waardoor het toedienen van hormonen niet genoeg is om de verstoringen door zwaartekracht tegen te gaan.

3.5.4 Magnetisch veld

In paragraaf 3.4 is beschreven dat op korte termijn er geen circadiaanse afwijkingen gevonden zijn bij 10 µT. Er zijn dus geen interventies nodig omdat er geen verstoringen voor korte termijn tegen te gaan. Het is onduidelijk of er op lange termijn wel ver-storingen zullen plaatsvinden. Green et al. (2017)

8_{Vrijwel alle stoffen zijn in zekere zin magnetische, maar diamatische stoffen zijn niet permanent magnetisch en hebben}

hebben een voorstel uitgebracht waarbij zij beweren een kunstmatige magnetosfeer op Lagrangiaan 1 9 te plaatsen die de zonnewind tegen houdt. Een bij-komstigheid van dit voorstel is dat Mars een klein magnetisch veld zou krijgen aangezien deze zich zou bevinden in de ’magnetische staart’. (NASA, 2001). Dit zou een oplossing kunnen zijn voor eventuele verstoringen door een verlaagd magnetisch veld op Mars.

4

Conclusie

Onderzocht is of het Marsmilieu effect heeft op men-selijke circadiaanse ritmes en of deze verstoringen tegengegaan kunnen worden. Het verschil in dag-lengte zal niet voor verstoringen zorgen in het cir-cadiaanse ritme. Mensen hebben de flexibiliteit om goed entraind worden tot de sol. Verder heeft het verschil in kleur licht wel effect op het verstoren van de circadiaanse ritmes. Echter zullen interven-ties als het verlagen van het stofgehalte op Mars of/en het gebruiken van absorptiefilters voor be-paalde golflengtes de schijn wekken dat er ’aardse’ kleuren te zien zijn. Dit betekent dat verstoringen door het verschil in de kleur van licht te verhel-pen zijn. Een verschil in zwaartekracht zal pro-blemen zorgen voor meerdere processen in het li-chaam. Verstoringen van de vouwing, splicing en expressie zullen circadiaanse ritmes als adrenaline en hartslag ontregelen. Er zijn geen fysische moge-lijkheden om kunstmatig zwaartekracht te simule-ren. Wellicht zou het toedienen van geslachtshor-momen deze verstoringen wel tegen kunnen gaan. Als laatste heeft Mars een lager magnetisch veld. Volgens korte termijn onderzoek levert dit geen pro-blemen op. Mocht het op lange termijn wel proble-men opleveren dan kan het zijn dat een kunstmatig magnetisch veld deze verstoringen tegen zal gaan.

5

Discussie

De vier abiotische milieufactoren die onderzocht zijn in dit onderzoek zullen niet allemaal even sterk tot verstoringen leiden. Zwaartekracht bleek op heel veel vlakken voor verstoringen te zorgen die ernstige problemen kunnen opleveren. Een aanmer-king op deze resultaten is dat de effecten die be-schreven zijn vooral effecten van microgravity zijn. Op mars is er een verminderde zwaartekracht van 0,38g, er is alleen geen mogelijkheid deze zwaarte-kracht te onderzoeken. Het belangrijkste verschil tussen microgravity en 0,38g is dat microgravity de afwezigheid van zwaartekracht meebrengt. Het ver-schil tussen Mars en Aarde is dat er een verver-schil in zwaartekracht is, maar er is wel zekerheid dat er zwaartekracht is. Verder onderzoek moet gedaan

worden om te zien of de effecten van een vermin-derde zwaartekracht komen of van de afwezigheid van zwaartekracht. Ditzelfde geldt voor de resulta-ten van het onderzoek naar het magnetische veld. Op Mars is het magnetisch veld bijna overal afwezig en de resultaten van dit onderzoek komen van een artikel die onderzoek doet naar verminderde mag-netisch veld, omdat er nog meer onderzoeken ge-daan zijn naar afwezigheid van het magnetisch veld. Als blijkt dat de resultaten van microgravity gelden voor Mars, kan dit betekenen dat mensen zich niet goed met hun ritmes kunnen aanpassen aan Mars, met alle gevolgen van dien.

Een andere beperking van dit onderzoek is dat er 4 abiotische milieufactoren zijn gekozen die invloed kunnen uitoefenen op de circadiaanse ritmes. Er kunnen nog veel andere verschillen tussen Aarde en Mars ook invloed hebben die we nu niet behandeld hebben.

De oplossingen van de verstoringen kunnen ook ef-fecten meebrengen die onbedoeld zijn en invloed kunnen hebben daarmee weer op de circadiaanse ritmes. Het kan namelijk zo zijn dat het opstellen van een magnetisch veld ervoor zorgt dat de atmos-feer ook beschermt wordt tegen de straling van de zon. Hierdoor zal de atmosfeer zich gaan opbouwen en dikker worden. Het effect hiervan is dat licht op een andere manier verstrooid wordt. Misschien le-vert dit op dat het licht dus een andere kleur krijgt, waardoor de interventies voor de golflengte overbo-dig raken.

Voor verder onderzoek naar circadiaanse ritmes op Mars moet er gekeken worden naar de organismen die wij meebrengen naar Mars. We gaan planten meenemen voor voedsel. Planten kunnen andere ritmes hebben die op Mars misschien nog lastiger zijn om aan te passen. Denk aan ritmes met een periode van een jaar. Planten hebben gedragingen specifiek per seizoen, maar deze ritmes zijn ook en-dogeen. Het probleem hier is dat een jaar op Mars ongeveer 1,8 keer zo lang is als die van Aarde. De seizoenen zijn aanzienlijk langer. Hiervoor moet on-derzocht worden of planten zich kunnen aanpassen of aangepast kunnen worden, door middel van bij-voorbeeld genetische modificatie, aan deze duur van een Marsjaar. En wanneer dit niet kan moet on-derzoek gedaan worden naar een oplossing, bijvoor-beeld met behulp van kassen.

Om een oplossing voor de verstoringen van zwaar-tekracht te vinden kan er nog onderzoek gedaan worden naar hoe het komt dat zwaartekracht op zo een kleine schaal toch invloed heeft. Zwaartekracht zien we normaal alleen echt invloed hebben op grote schalen, zoals de zwaartekracht van de aarde en de zon. De massa van twee personen trekt elkaar zo weinig aan via zwaartekracht dat we dit niet er-varen. Blijkbaar moet er een mechanisme zijn in

ons lichaam wat fungeert als zwaartekrachtsensor die met de ontvangen informatie het circadiaanse ritme verstoort.

Zonder verder onderzoek en bijpassende interven-ties zullen er verstoringen blijven in circadiaanse ritmes voor mensen op Mars.

Literatuur

Allen, D. L. (2009). Effects of spaceflight on mu-rine skeletal muscle gene expression. Journal of Applied Physiology , 106 (2), 582-595.

Armstrong, S. & Cassone, V. (1986). Synchroni-zation of mammalian circadian rhythms by me-latonin. Journal of neural transmission. Supple-mentum, 21 (1), 375-395.

Bell-Pederson, D., Cassone, V., Earnest, D., Gol-den, S., Hardin, P., Thomas, T. & Zoran, M. (2005). Circadian rhythms from multiple oscil-lators: Lessons from diverse organisms. Nat Rev Genet., 6 (1), 544-556.

Berry, M. V. & Geim, A. K. (1997). Of fluing frogs and levitrons. Physics, 18 (1), 307-313.

Bloch, G., Barnes, B. M., Gerkema, M. P. & Helm, B. (2013). Animal activity around the clock with no overt circadian rhythms: Patterns, me-chanisms and adaptive value. Proceedings of the Royal Society B , 180 (1765), 20130019.

Bohren, C. F. & Huffman, D. R. (1983). Absorption and scattering of light by small particles. New York: Wiley VCH.

Chelleppa, S. L., Steiner, R., Blattner, P., Oelhafen, P., Gotz, T. & Cajochen, C. (2011). Non-visual effects of light on melatonin, alertness and cog-nitive performance: Can blue-enriched light keep us alert? PLos One, 6 (1), 1-11.

Comitee, T. N. N. (2017). The nobel prize in physiology or medicine 2017. Op 2017-12-19 verkregen van https://www.nobelprize.org/ nobelprizes/medicine/laureates/2017/

Czeisler, C. A. (1999). Stability, precision, and near-24-hour period of the human circadian pa-cemaker. Science, 284 (5423), 2177-87.

Dagan, Y. (2002). Circadian rhythm sleep disorders (crsd). Sleep medicine reviews, 6 (1), 45-54.

Dijk, D. J. (2001). Sleep, performance, circadian rhythms, and light-dark cycles during two space shuttle flights. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physio-logy, 281 (5), R1647-R1664.

Egan, W. G. & Foreman, K. M. (1969). Mie scat-tering and the martian atmosphere. Planetary Atmospheres, 1 (1), 26-31.

Fegley, J. B. & Prinn, R. G. (1987). The atmosp-heres of venus, earth and mars: A critical com-parison. Annual Review o Earth and Planetary Sciences, 15 (1), 171-212.

Finlay, C. C., Maus, S., Beggan, C. D., Bondar, T. N., Chambodut, A., Chernova, T. A., . . . Zvereva, T. I. (2010). International geomagnetic reference field: the eleventh generation. Geophy-sical Journal International , 183 (13), 1216-1230. Fuller, C. (1994). Influence of gravity on the

circa-dian timing system. Advances in Space Research, 14 (8), 399-408.

Giancoli, D. C. (2008). Physics for modern sci-entist & engineers with modern physics. Upper Sadle River NJ 07458: Pearson Education. Green, J. L., Hollingsworth, J., Brain, D.,

Airape-tian, V., Glocer, A., Pukkinen, A., . . . Bamford, R. (2017). A future mars environment for science and exploration. Planetary Science Vision 2050 Workshop.

Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1997). Che-mistry of the elements. Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP: Butterworth-Heinemann. Gronfier, C., Wright, K. P., Kronauer, R. E. &

Czeisler, C. A. (2007). Entrainment of the human circadian pacemaker to longer-than-24-h days. Proceedings of the National Academy of Sci-ences of the United States of America, 104 (21), 9081-9086.

Gundel, A., Polyakov, V. & Zulley, J. (1997). The alteration of human sleep and circadian rhythms during spaceflight. Journal of sleep research, 6 (1), 1-8.

Ingersoll, A. P. (1971). Polarization measurements of mars and mercury rayleigh scattering in the martian atmosphere. The Astrophysical Journal , 163 (1), 121-129.

Jacobs, J. A. (1953). The earth’s inner core. Na-ture, 172 , 297-298.

Jaworowski, Z. (1999). Radiation risk and ethics. Physics Today, 52 (9), 24-29.

Karatsoreos, I. N., Wang, A., Sasanian, J. & Silver, R. (2007). A role for androgens in regulating cir-cadian behavior and the suprachiasmatic nucleus. Endocrinology, 148 (11), 5487–5495.

Liang, X., Zhang, L., Wan, Y., Yu, X. & Guo, Y. (2012). Changes in the diurnal rhythms during a 45-day head-down bed rest. PLoS ONE , 7 (10), 47984.

Mieda, M., Ono, D., Hasegawa, E., Okamoto, H., Honma, K., Honma, S. & Sakurai, T. (2015). Cellular clocks in avp neurons of the scn are cri-tical for interneuronal coupling regulating circa-dian behavior rhythm. Neuron, 85 , 1103-1116.

Monk, T. H., Kennedy, K. S., Rose, L. R. & Linen-ger, J. M. (2001). Decreased human circadian pacemaker influence after 100 days in space: a case study. Psychosometic Medicine, 63 (6), 881-885.

NASA. (2001). The tail of the

mag-netosphere. Op 2018-01-18 verkregen van https://www-spof.gsfc.nasa.gov/ Education/wtail.html

NASA. (2009). What is microgravity? Op 2018-01-3 verkregen van https://www.nasa.gov/ centers/glenn/shuttlestation/

station/microgex.html

NASA. (2016). Mars fact sheet. Op 2018-01-18 verkregen van https://nssdc.gsfc.nasa.gov/ planetary/factsheet/marsfact.html

Panda, S., Hogenesch, J. B. & Kay, S. A. (2002). Circadian rhythms from flies to human. Nature, 417 (1), 329-335.

Paul, A. (2011). Parabolic flight induces changes in gene expression patterns in arabidopsis thaliana. Astrobiology, 11 (8), 743-758.

Reppert, S. & Weaver, D. (2002). Coordina-tion of circadian timing in mammals. Nature, 418 (6901), 935-941.

Savitz, D. A., Liao, D., Sastre, A., Kleckner, R. C. & Kavet, R. (1999). Magnetic field exposure and cardiovascular disease mortality among elec-tric utility workers. American Journal of Epide-miology, 149 (2), 135-142.

Savitz, D. A. & Loomis, D. P. (1995). Magnetic field exposure in relation to leukemia and brain cancer mortality among electric utility workers. American Journal of Epidemiology, 141 (2), 123-134.

Scheer, F. (2007). Plasticity of the intrinsic pe-riod of the human circadian timing system. PloS ONE , 2 (8), e721.

Selmaoui, B., Lambrozo, J. & Touitou, Y. (1997). Endocrine functions in young men exposed for

one night to a 50- hz magnetic field. a circa-dianstudy of pituitary, thyroid and adrenocorti-cal hormones. Life Sciences, 61 (5), 473-486.

Selwood, J. (2016). resetting. Op 2018-01-1 verkre-gen van

Sharma, V. K. & Chandrashekaran, M. K. (2005). Zeitgebers (time cues) for biological clocks. Cur-rent Science, 89 (7), 1136-1146.

Siceloff, S. (2015). Hi-seas team completes 8-month isolation mission. Op 2018-01-09 verkregen van https://www.nasa.gov/

feature/hi-seas-team-completes-8-month-isolation-mission

SpaceX. (2017). Missions to mars. Op 2018-01-09 verkregen van http://www.spacex.com/mars

Stanley, S., Tanton, L. E., Zuber, M. T. & Parmen-tier, E. M. (2008). Mars’ paleomagnetic field as the result of a single-hemisphere dynamo. Sci-ence, 321 (5897), 1822-1825.

Sulzman, F. M. (1992). Thermoregulatory respon-ses of rhesus monkey during spaceflight. Physio-logy & Behavior , 51 (1), 585-591.

Toh, K. L. (2008). Basic science review on cir-cadian rhythm biology and circir-cadian sleep dis-orders. Annals Academy of Medicine Singapore, 37 , 662-668.

United-Nations. (2016). Total popula-tion - both sexes. Op 2018-01-09 verkre-gen van https://esa.un.org/unpd/wpp/ Download/Standard/Population/

Welsh, D. K., Takahashi, J. S. & Kay, S. A. (2010). Suprachiasmatic nucleus: Cell autonomy and network properties. Annual Review of Physio-logy, 72 , 551–577.

Wright, H. R. & Lack, L. C. (2001). Effect of light wavelength on suppression and phase delay of the melatonin rhythm. Chronobiology international , 18 (5), 801-808.

Xia, X., Zhu, H., Hu, Y., Guo, J. & Guo, X. (2014). Effect of gravity on sex hormones. Human Per-formance in Space: Advancing Astronautics Re-search in China, 7-9.

Young, P. (1993). Technological growth curves: A competition of forecasting models. Technological forecasting and social change, 44 (4), 375-389.