El Otolito de Rana en Orbita ( OFO , por sus siglas en inglés) fue un programa espacial de la NASA que envió dos ranas toro a la órbita el 9 de noviembre de 1970 para el estudio de la ingravidez . El nombre, derivado del uso común, era una descripción funcional del experimento biológico que llevaba a cabo el satélite. Otolito hacía referencia al mecanismo de equilibrio del oído interno de la rana .
El Programa de Otolitos de la Rana en Orbita fue parte del programa de investigación de la Oficina de Investigación y Tecnología Avanzada (OART) de la NASA. Uno de los objetivos de la OART era estudiar la función del sistema vestibular en el espacio y en la Tierra. El experimento fue diseñado para estudiar la adaptabilidad del otolito a la ingravidez sostenida , para proporcionar información para los vuelos espaciales tripulados . El otolito es una estructura en el oído interno que está asociada con el control del equilibrio : la aceleración con respecto a la gravedad como su entrada sensorial primaria.
El Experimento de Otolitos de Rana (FOE, por sus siglas en inglés) fue desarrollado por Torquato Gualtierotti de la Universidad de Milán , Italia , cuando fue asignado al Centro de Investigación Ames como investigador asociado residente patrocinado por la Academia Nacional de Ciencias . [1] Originalmente planeado en 1966 para ser incluido en una de las primeras misiones Apolo , el experimento fue pospuesto cuando esa misión fue cancelada. A fines de 1967 se dio autorización para orbitar el FOE cuando se pudiera diseñar una nave espacial de apoyo. El proyecto, parte del programa de Sistemas de Factor Humano de la NASA, fue designado oficialmente "OFO" en 1968. Después de una serie de retrasos, OFO fue lanzado a órbita el 9 de noviembre de 1970.
Tras la exitosa misión OFO-A en 1970, el interés por la investigación continuó. En 1975 se inició un proyecto llamado Investigación de la Función Vestibular para realizar un experimento vestibular en una nave espacial en órbita alrededor de la Tierra. Este proyecto de vuelo finalmente se interrumpió, pero se llevaron a cabo varios estudios terrestres. La investigación ha dado lugar a varias derivaciones muy útiles, incluida la Instalación de Investigación Vestibular en tierra ubicada en el ARC . [2]
OFO no debe confundirse con acrónimos similares que describen la serie de naves espaciales del Observatorio Orbital , como el Observatorio Geofísico Orbital (OGO), el Observatorio Solar Orbital (OSO) y el Observatorio Astronómico Orbital (OAO).
El experimento OFO fue diseñado originalmente para volar dentro del Programa de Aplicaciones Apolo , que se creó para hacer un uso óptimo del hardware utilizado en las misiones lunares Apolo . Sin embargo, debido a que los bajos niveles de aceleración necesarios para el experimento no podían mantenerse fácilmente en una nave espacial Apolo tripulada, más tarde se eligió un satélite no tripulado como vehículo más adecuado. El diseño del satélite eliminó la exposición a niveles de aceleración superiores a 10 −3 g (10 mm/s²). Esto significó que los especímenes experimentales podrían experimentar un estado casi de ingravidez.
La nave espacial tenía un diámetro de aproximadamente 30 pulgadas (760 mm) y una longitud de 47 pulgadas (1200 mm). [2] La sección inferior octogonal de la nave espacial albergaba el aparato electrónico. La sección superior, que contenía el paquete experimental, tenía forma de cono truncado. Un escudo térmico que cubría esta sección superior protegía el experimento durante el reingreso a la atmósfera terrestre. Un conjunto de despin de yo-yo estaba ubicado alrededor de la circunferencia de la nave espacial. Cuatro brazos, plegados contra el costado de la nave espacial, estaban ubicados radialmente alrededor del satélite. Después de que la nave espacial se separara del vehículo de lanzamiento, el subsistema de despin de yo-yo ralentizó la rotación de la nave espacial. Luego, los cuatro brazos se soltaron para extenderse desde el costado de la nave espacial. La extensión de los brazos aumentó el momento de inercia de la nave espacial, lo que permitió que el nivel de aceleración se mantuviera por debajo de 10 −3 g. [2]
La misión OFO-A se lanzó el 9 de noviembre de 1970 (06:00 GMT) desde el sitio de lanzamiento de Wallops Island . El satélite que transportaba el experimento OFO-A permaneció en órbita durante casi siete días. No se planeó la recuperación de la nave espacial. La carga útil era el Paquete Experimental de Otolitos de Rana (FOEP).
El objetivo del experimento fue investigar el efecto de la microgravedad en el otolito, un órgano sensorial que responde a los cambios en la orientación de un animal dentro del campo gravitacional de la Tierra.
Se utilizaron dos ranas toro americanas ( Rana catesbeiana ) como sujetos experimentales en el experimento de vuelo. Se eligió a la rana toro para el estudio porque su laberinto auditivo interno es muy similar al de los humanos. Como es un anfibio, la cirugía previa al vuelo podría realizarse sobre el agua, pero podría mantenerse en el agua durante el vuelo. El medio acuático sirvió para amortiguar la vibración y la aceleración del lanzamiento, y para facilitar el intercambio de gases con los organismos.
Las ranas fueron adquiridas por la Louisiana Frog Company en Rayne, Luisiana . La ciudad fue el principal exportador de ranas del país a principios y mediados del siglo XX y ya era conocida como la "capital mundial de las ranas". [3] El congresista local (y futuro gobernador durante cuatro mandatos) Edwin Edwards ayudó a conectar la agencia con Rayne, a seis millas al este de su ciudad natal de Crowley . [3] Se enviaron un total de 20 ranas Rayne a la NASA para su evaluación, donde se redujeron a un grupo de cuatro, dos de las cuales irían a órbita y dos que permanecerían como tripulación de respaldo. [4] [3] Los dos especímenes destinados al espacio se llamaron Pierre y Tee-Nom ("Pequeño nombre", aproximadamente, en francés de Luisiana ). [5]
A ambas ranas voladoras se les implantaron electrodos de electrocardiograma (ECG) en sus cavidades torácicas y microelectrodos en sus nervios vestibulares . Se desmotorizó a las ranas cortándoles los nervios de las extremidades para evitar que soltaran los electrodos implantados y para reducir sus tasas metabólicas. [6] Con esta actividad metabólica reducida, las ranas pudieron sobrevivir sin ser alimentadas durante un mes. La inmersión en agua permitió a las ranas respirar a través de su piel. El medio acuático también ayudó a alejar el dióxido de carbono y el calor de los animales.
La unidad de hardware de vuelo, el FOEP, era un recipiente hermético que contenía una centrífuga llena de agua que albergaba a las dos ranas. La centrífuga era una estructura cilíndrica que hacía girar las cabezas de las ranas a intervalos programados. [6] El FOEP también contenía un sistema de soporte vital que podía mantener un entorno regulado para las ranas. Este sistema constaba de dos circuitos cerrados, uno que contenía líquido y el otro que contenía gas. La interfaz entre los dos circuitos era una goma de silicona selectivamente permeable que actuaba como un pulmón artificial. El oxígeno pasaba a través de la membrana desde el lado del gas al lado del líquido, y el dióxido de carbono desde el lado del líquido al lado del gas. Las ranas estaban sumergidas en el circuito de líquido. Una bomba circulaba oxígeno a través del circuito que contenía gas. El dióxido de carbono que entraba en el circuito de gas era eliminado por un absorbente y el oxígeno purificado regresaba a la bomba para su recirculación. Un evaporador de agua y un calentador eléctrico mantenían la temperatura del agua a unos 60 °F (16 °C). Un sistema amplificador en el FOEP aumentó el voltaje de salida de los microelectrodos implantados en los animales al nivel requerido por el aparato de telemetría.
La preparación quirúrgica de las ranas voladoras se completó unas 12 horas antes del lanzamiento y los animales fueron sellados dentro del FOEP. También se preparó un FOEP de respaldo con muestras similares. El FOEP de vuelo se instaló en el satélite unas tres horas antes del lanzamiento.
La centrífuga se activó lo antes posible una vez que el satélite estuvo en órbita y se estabilizó a 10 −3 g (10 mm/s²). La centrífuga aplicó estímulos de gravedad en ciclos. Cada ciclo duró aproximadamente 8 minutos y consistió en lo siguiente: un período de 1 minuto sin aceleración, un período de 8 segundos en el que comenzó la rotación lentamente, 14 segundos de 0,6 g constantes (6 m/s²), un período de 8 segundos en el que la rotación se detuvo lentamente y un período de 6 minutos en el que se pudieron medir los efectos posteriores de la rotación. [6] Los ciclos se realizaron cada 30 minutos durante las 3 horas iniciales en órbita y con menor frecuencia durante el resto del vuelo.
El experimento OFO continuó hasta el séptimo día en órbita, momento en el que falló la batería de a bordo. No fue necesario recuperar la nave espacial OFO ni el hardware FOEP. Las dos ranas murieron como parte del experimento.
El experimento fue un éxito. Los índices de electrocardiografía (ECG) mostraron que las ranas voladoras se encontraban en buen estado de salud durante todo el vuelo. Los registros vestibulares se realizaron como se esperaba. Ocurrieron dos fallas en el equipo durante el vuelo: la presión en el recipiente aumentó a 11 libras por pulgada cuadrada (76 kPa) y la temperatura disminuyó a 55 °F (13 °C) durante nueve horas. Sin embargo, los experimentos de control realizados en tierra mostraron que estas fallas tuvieron poco efecto en el resultado del experimento de vuelo.
Se observaron varios cambios en la respuesta vestibular durante el período inicial de ingravidez. Todos los cambios observados volvieron a la normalidad durante las últimas 10 a 20 horas del vuelo, lo que sugiere una aclimatación . [6]
La NASA informó que las ranas murieron poco antes del mediodía, hora de Washington, el 15 de noviembre después de más de seis días en órbita. [7]
El paquete experimental de otolitos de rana (FOEP) contiene todo el equipo necesario para garantizar la supervivencia de dos ranas. Los especímenes se almacenan en una centrífuga autónoma llena de agua que proporciona la aceleración de prueba durante la órbita. Las ranas están desmotorizadas para evitar que se desprendan los electrodos implantados y para reducir su tasa metabólica. [8]
Sistema de soporte vital (LSS): El LSS mantiene un entorno regulado dentro del FOEP para asegurar la supervivencia y el funcionamiento normal de dos ranas desmotorizadas. El mamparo inferior de la estructura del conjunto interior proporciona espacio de montaje para todo el equipo de soporte vital.
Las dimensiones del paquete eran 457 mm de diámetro por 457 mm de largo y pesaba 41 kg cuando estaba cargado. La adquisición de datos consistió en electrocardiogramas, temperatura corporal y actividad vestibular. También había una unidad de prueba de FOEP en tierra a la que se podía conectar el FOEP antes del vuelo para ventilación y verificación de las condiciones ambientales antes de la carga en la nave espacial.
La carcasa exterior del FOEP es un recipiente hermético a la presión 18+1 ⁄ 16 pulgadas (459 mm) de diámetro y 18+1 ⁄ 2 pulgadas (470 mm) de largo. El cierre inferior y la tapa superior removible están ligeramente abovedados para evitar la implosión en caso de que se produzcan inversiones de presión. La estructura del conjunto interior está sujeta a un anillo de soporte aproximadamente a 6 pulgadas del fondo del recipiente y consta de mamparos superior e inferior unidos por un cilindro. Los recortes en el cilindro permiten el acceso a la centrífuga, que alberga las ranas. Cerca de la parte superior del recipiente hay dos receptáculos de alimentación eléctrica para la fuente de alimentación y la línea de datos.
La centrífuga es un cilindro hueco de 6 pulgadas de diámetro y 13,5 pulgadas de largo con ambas tapas de los extremos en su lugar. El cilindro está montado perpendicularmente al recipiente y soportado por cojinetes de bolas alojados en los mamparos superior e inferior. El eje de rotación de la centrífuga está formado por ejes ubicados centralmente en el plano vertical en ángulo recto con el cilindro, sujetos en su lugar por los cojinetes de bolas. Tapas de los extremos delgadas y poco profundas en forma de cúpula están atornilladas a cada extremo de la centrífuga con juntas de goma intermedias para evitar fugas. En el centro de cada tapa hay un accesorio que permite que los especímenes de rana estén completamente instrumentados y montados directamente en las tapas de los extremos antes de la inserción en la centrífuga y la inmersión. El agua sirve como amortiguador para las altas aceleraciones y vibraciones del lanzamiento y como medio para el intercambio de gases a través de la piel de las ranas. La centrífuga está bloqueada en su posición y no se libera hasta que la órbita de la nave espacial está completamente estabilizada. El motor que impulsa la centrífuga está montado en el mamparo superior. En la centrífuga están montados amplificadores de señal y un acelerómetro.
El microelectrodo consiste en una sonda de alambre de tungsteno de 50 μm de diámetro, afilada eléctricamente hasta una punta de menos de 1 μm de diámetro y completamente aislada hasta la punta. Una burbuja de aire atrapada en el tubo de polietileno que contiene la sonda añade flotabilidad y hace que el electrodo tenga la misma densidad que el nervio en el que está implantado, lo que permite que ambos se muevan juntos. Se utiliza una sección de parafina para conectar el electrodo a un mango que se utiliza solo durante el proceso de implantación y luego se retira. Los impulsos nerviosos detectados por los microelectrodos se introducen en un preamplificador conectado directamente a la mandíbula de la rana y se transmiten a un amplificador de datos posterior para la telemetría de la nave espacial.
El sistema de soporte vital (LSS) del Paquete de Experimento de Otolitos de Rana (FOEP) mantiene un ambiente regulado dentro del FOEP para asegurar la supervivencia y el funcionamiento normal de los especímenes experimentales. El LSS está diseñado para satisfacer los requisitos fisiológicos de dos ranas desmotorizadas que pesan 350 g (12 oz) cada una. Las ranas se desmotorizan cortando los nervios de las extremidades, lo que reduce su tasa metabólica. En esta condición, las ranas no requieren respiración artificial y pueden permanecer saludables sin ser alimentadas, hasta por un mes. Después de ser instaladas en la centrífuga, las ranas se sumergen completamente en agua, que sirve como medio para el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono y calor a través de la piel de la rana. [9]
El LSS consta principalmente de dos circuitos cerrados: uno que contiene líquido y otro que contiene gas. El mamparo inferior de la estructura del conjunto interior proporciona espacio de montaje para todos los equipos del LSS. El sistema de suministro de oxígeno funciona a través de estos circuitos e incluye una botella de oxígeno con capacidad de 4,5 cm³, un reductor y regulador de presión, un pulmón artificial, un absorbedor de CO2 y un suministro de agua. Se puede controlar de forma limitada la temperatura del entorno de las ranas mediante un evaporador/calentador de agua.
La interfaz entre los circuitos se produce en una membrana de caucho de silicona selectivamente permeable que separa el líquido del gas. Esta membrana, llamada pulmón, pasa el oxígeno del circuito de gas al circuito de líquido y el CO2 del circuito de líquido al circuito de gas.
Las ranas, alojadas en la centrífuga, se encuentran en el circuito de líquido. Al pasar del pulmón a las ranas, el circuito contiene agua y oxígeno disuelto; al pasar de las ranas de vuelta al pulmón, contiene agua y CO2 libre . Una doble capa de espuma de poliuretano que recubre el interior de la centrífuga evita que los desechos de las ranas ensucien el sistema de circulación de agua. El agua circula a través del circuito de líquido mediante una pequeña bomba y debe pasar por el filtro antes de salir de la centrífuga.
El circuito de gas consiste en un circuito en el mamparo inferior a través del cual circula oxígeno mediante una pequeña bomba. La bomba suministra oxígeno puro al pulmón, donde una parte pasa al circuito de líquido, mientras que el resto se mezcla con el CO2 procedente del circuito de líquido. Desde el pulmón, la mezcla de oxígeno y CO2 pasa a través de un lecho de Baralyme que absorbe el CO2 . El oxígeno puro se devuelve desde el Baralyme a la bomba y se recircula. El suministro de oxígeno se repone con gas del pequeño tanque de oxígeno.
El evaporador de agua y el calentador eléctrico de 8 vatios, potenciados por el entorno térmico de la nave espacial, mantendrán la temperatura del agua a 15,5 ± 3 °C (60 ± 5 °F). El suministro de agua para el evaporador está contenido en una vejiga de goma sostenida por un anillo en el recipiente inmediatamente encima de la cúpula inferior. Cuando la temperatura del agua supera los 60 °F nominales, un comando terrestre activa un circuito temporizador que opera una válvula. Como resultado de la presión ambiental dentro del recipiente, el agua es forzada desde la vejiga a través de la válvula hacia el evaporador. Las cargas de calor internas se transfieren a través de un intercambiador de calor al evaporador y se disipan al evaporar el agua.
