Loài người có tồn tại được trong vũ trụ?

Cặp phi hành gia sinh đôi Mark và Scott Kelly tham gia thí nghiệm của NASA. Nguồn: Nature.
Francine Garnett-Bakelman, tác giả chính của nghiên cứu mới công bố trên Science này và là nhà sinh vật học phân tử tại Đại học Virginia, cho biết đây là kết quả toàn diện nhất có thể đạt được dựa trên dữ liệu có được từ thí nghiệm. Nhưng để trả lời câu hỏi quan trọng "Loài người có tồn tại được trong vũ trụ?" thì những thông tin có được từ nghiên cứu này vẫn chưa đầy đủ.

Đến nay, đã có hơn 500 người đã bay vào vũ trụ và chỉ có bốn cá thể sống lâu dài hơn một năm trong không gian, nhưng những tác động sinh lý của vũ trụ trong thời gian dài là vẫn còn là điều bí ấn. Trong khi đó, thời gian khám phá sao Hỏa sẽ kéo dài tối thiểu 3 năm. Do đó, để chương trình khám phá Hành tinh Đỏ trở thành hiện thực khi quỹ đạo của nó gần Trái đất nhất vào năm 2033, thì chúng ta cần có thêm nhiều thông tin hơn.

Trước hết, NASA nhận thấy sự biến đổi cơ thể của các phi hành gia trong quá trình làm việc cho dù thời gian làm việc có thể ngắn hơn một tháng hay kéo dài sáu tháng do chất dịch, nước và máu di chuyển lên đầu của phi hành gia, khiến cho bán cầu não trái phình lên. Trong vũ trụ, khuôn mặt của các phi hành gia sẽ bị đỏ lựng, sưng húp và họ cảm thấy khó chịu vì sự tắc nghẽn hoặc tăng áp trong tai họ. Thậm chí tệ hơn, 40% phi hành gia sống trên Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) bị tổn thương mắt như phù giác mạc, dẹt nhãn cầu và nếp gấp trong lớp màng đệm bị dãn phẳng.... NASA cho rằng áp lực nội sọ là nguyên nhân chính dẫn tới hội chứng thần kinh mắt liên quan đến vũ trụ và họ đã phát triển các xét nghiệm để đo lượng máu đẩy lên đầu và mắt của các phi hành gia.

Do đó, họ đã kiểm tra áp suất nội sọ của các phi hành gia trong không gian. Đầu tiên là thu thập các mẫu cơ bản về máu, nước bọt và nước tiểu và chụp ảnh siêu âm các mạch máu trong tim, cổ, đầu và mắt của bạn. Sau đó, người được kiểm tra mặc quần Chibis - một loại quần bằng cao su được thiết kế để hút chân không, tương tự như lực hấp dẫn trên trái đất hút chất lỏng (máu, chất nhầy, nước) trong cơ thể và từ hộp sọ xuống nửa dưới của cơ thể. Việc mặc chiếc quần này đôi khi cũng gây ra phiền toái. Đã có lần, một phi hành gia người Nga bị bất tỉnh khi nhịp tim bị giảm xuống. Đồng đội của anh đã nghĩ rằng anh đang bị đau tim. Một lần khác, trạm vũ trụ đã giảm áp lực quá mức khiến làm tăng sức hút và phi hành gia cảm thấy "như thể ruột của tôi bị rút ra vô cùng khó chịu". Nhưng nếu không có chuyện gì xảy ra, phi hành gia sẽ mặc bộ đồ trong vài giờ, chụp thêm hình ảnh siêu âm, rồi tiến hành một loạt kiểm tra huyết áp, đo dịch ốc tai bằng một dụng cụ chuyên dụng trong tai và ghi lại áp suất nội nhãn bằng cách chạm vào cảm biến áp suất chống lại nhãn cầu gây mê, quét nhãn cầu bằng tia laser để hình dung các nếp gấp của màng đệm và mức độ sưng của dây thần kinh thị giác.

Thí nghiệm "dịch chuyển chất lỏng" là một trong rất nhiều các thí nghiệm được thực hiện đối với phi hành gia Scott Kelly khi anh sống trên ISS gần 1 năm (từ 27/3/2015 đến 1/3/2016), chuyến du hành vũ trụ dài nhất của một người Mỹ, và anh trai của anh. Trong suốt hơn 25 tháng, cả hai anh em đã tham gia các bài kiểm tra nhận thức và kiểm tra thể chất song song trước, trong và sau nhiệm vụ. Tổng cộng, có 317 mẫu phân, nước tiểu và máu từ cả hai cặp song sinh đã được thu thập và phân tích về sự thay đổi biểu sinh, chuyển hóa, phiên mã, protein và microbiome. Đây là lần đầu tiên NASA tiến hành phân tích toàn diện về hệ omics đối với một phi hành gia, hơn nữa, còn đối chứng với người anh song sinh cùng trứng.

Scott Kelly và các phi hành gia phải trải qua các đợt kiểm tra sức khỏe nghiêm ngặt. Ảnh: CNN
Ý tưởng đằng sau nghiên cứu có một logic rất đơn giản: Bởi vì cặp song sinh có chung bộ gene, bất kỳ thay đổi nào xảy ra với Scott và mà không xảy ra với Mark có thể là do chuyến du hành vũ trụ trong thời gian dài. Điều ngạc nhiên là, nguồn gốc về nghiên cứu cặp song sinh Scott và Mark lại không xuất phát từ NASA. Chính Scott tự đề xuất ý tưởng. "Trong một sự kiện truyền thông khoa học mà tôi tham gia, tôi đã nói: Này, nếu có một câu hỏi nào đó về người anh song sinh của tôi, Mark, các ông có quan tâm tới việc nghiên cứu di truyền học đối với chúng tôi không?" ‘Không’, đó là câu trả lời của họ. Nhưng, vài tuần sau, chính họ đã tìm đến Scott vì các nhà nghiên cứu ở các trường đại học đánh giá cao ý tưởng đó.

Scott và Mark Kelly được sinh ra ở thành phố Orange, bang New Jersey, vào năm 1964. Họ là hai phi hành gia sinh đôi duy nhất trong lịch sử NASA với những tố chất đặc biệt. Quan sát thời niên thiếu của họ, không ai cho rằng họ sẽ trở thành phi hành gia trong tương lai, ngoại trừ một nhà tâm lý học nhi khoa chuyên về các thiếu niên thích mạo hiểm. Trong cuốn tự truyện với tiêu đề "Endurance" của mình, anh kể lại những rủi ro điên rồ mà anh với Mark đã trải qua khi còn nhỏ và những hậu quả không thể tránh khỏi khi bị gãy xương. Trong kỳ nghỉ hè, họ đã mua một chiếc thuyền cũ nát mà không có thiết bị định vị hay đài vô tuyến và lái thuyền ra ngoài đường chân trời của bờ Jersey trong mọi điều kiện thời tiết.

Cha mẹ họ là những cảnh sát nát rượu. Scott viết, "Đôi khi tôi nghĩ nếu bố tôi không phải là cảnh sát, ông ấy sẽ là tội phạm". Tương tự thế, nếu bố mẹ họ không phải là cảnh sát, họ có thể đã bị giam giữ trong các trại dành cho trẻ vị thành niên.

Cả hai đều học kém ở trường nhưng cùng có một mong muốn là trở thành phi hành gia, vì họ cùng yêu thích các tác phẩm của Tom Wolfe. "Tôi muốn trở thành một phi công hải quân. Tôi vẫn còn là một thiếu niên 18 tuổi học vấn kém cỏi với những điểm số tệ khủng khiếp và không biết gì về máy bay. Nhưng The Right Stuff của Tom Wolfe đã giúp tôi định hình tương lai của mình".

Họ vào khu cảng hàng không thuộc hải quân thông qua ROTC tại Học viện Hàng hải Merchant (Mark) và Đại học Hàng hải Đại học New York (Scott). Ở trường đại học, họ phát hiện ra mình là những kỹ sư rất thông minh với những điểm số hoàn hảo cho những môn tính toán. Rút cục, họ cũng có thể đáp máy bay trên các tàu sân bay và trở thành phi công thử nghiệm. Mark đã bay trong chiến tranh vùng Vịnh.

Cả hai đều được chọn làm phi hành gia trong khóa huấn luyện năm 1996. Trong sự nghiệp của họ tại NASA, Mark là phi công hoặc chỉ huy của bốn nhiệm vụ của Tàu con thoi; Scott đã lái và chỉ huy hai tàu con thoi và dành sáu tháng trên ISS trước chuyến du hành vào vũ trụ kéo dài một năm của anh. Sau khi vợ Mark, Đại diện Arizona Gabby Giffords, bị bắn vào năm 2011, anh đã thực hiện nhiệm vụ cuối cùng và quyết định nghỉ hưu. Scott luôn hào phóng nói về những gì mà nghiên cứu về cặp song sinh của NASA đòi hỏi ở anh trai của mình: "Các anh phải ghi công lớn cho anh ấy. Anh tôi đã không nhận được bất kỳ vinh quang nào cho việc trở thành phi hành gia. Anh tôi tham gia vì lợi ích của khoa học".

Nhưng những yêu cầu nghiên cứu về thể chất cũng không dễ dàng gì đối với Scott do thí nghiệm được thực hiện trong không gian. "Thường xuyên, có lẽ là một lần một tuần, tôi phải thực hiện việc thu thập mẫu thí nghiệm cả ngày. Thức dậy từ sớm, lấy máu, ly tâm và cất trong tủ lạnh. Sau đó, thu thập mẫu nước tiểu trong suốt ngày đó. Thu mẫu nước tiểu suốt 24h trong vũ trụ thật không dễ dàng gì bởi vì bạn không thể sử dụng bồn cầu được thiết kế cho phi hành gia. Và khi bạn đi tiểu vào chiếc túi này, bạn phải loại bỏ ống nghiệm khỏi chiếc túi và dán mã barcode, quét mã và đặt chúng vào tủ lạnh. Thậm chí, chiếc tủ lạnh chứa mẫu cũng phức tạp. Nó là chiếc tủ âm 800oC nên bạn không thể mở nó quá lâu, và đôi khi bạn bị bỏng lạnh. Cũng trong ngày đó, bạn phải tiến hành thu thập mẫu da, phân...".

Quãng thời gian sống trong ISS khiến DNA của Scott bị xoắn một cách kỳ lạ. Ảnh: CNN
Không trọng lượng đặt ra những thách thức đặc biệt cho một chương trình nghiên cứu về con người, đặc biệt là đối với một phi hành gia thường xuyên mệt mỏi, lạnh và cáu gắt vì hít phải quá nhiều CO2. Hơn nữa, Trạm không gian ISS không được thiết kế cho mục đích nghiên cứu này nên có rất nhiều bất tiện xảy ra. Thiết bị nghiên cứu phải gắn lên tường. Môi trường ồn ào, và bị ô nhiễm bởi đủ thứ mùi từ cơ thể con người, từ rác thải...

Chúng ta học được gì từ kết quả nghiên cứu? Chris Mason, trưởng nhóm nghiên cứu biểu hiện gene và là giáo sư sinh lý học và vật lý sinh học tại Weill Cornell Medicine, đã ví sự ảnh hưởng của không gian đối với các gene của Scott: "Không chỉ là một tia sáng le lói, mà nó như là một màn pháo hoa rực rỡ trên bầu trời". Hơn 10.000 gene được kích hoạt trong không gian vũ trụ. "Bạn cần phải hiểu rằng, hệ gene của chúng ta có khoảng 58.000 gene, do đó, 10.000 gene được kích hoạt có nghĩa là cơ thể đã kích hoạt rất nhiều đáp ứng khác nhau đối với môi trường của vũ trụ".

Các nhóm nghiên cứu đã bị choáng bởi những thay đổi lớn xảy ra ở khắp mọi nơi trong cơ thể Scott, bao gồm cả chiều dài của telomere của anh ta, mũ ở cuối nhiễm sắc thể bảo vệ sự toàn vẹn của DNA; mạng điều hòa gene, được đo bằng cả sự tương tác với môi trường và sự phối hợp hoạt động của gene; hệ vi khuẩn đường ruột của anh ta; kích thước của động mạch cảnh của anh ta; và trạng thái sức khỏe của đôi mắt của anh.

Hệ miễn dịch Scott nói chung là hỗn loạn trong suốt thời gian trên không gian: Nhiều con đường trao đổi chất trong tế bào liên quan đến miễn dịch bị phá vỡ, bao gồm hệ thống miễn dịch thích nghi, phản ứng miễn dịch bẩm sinh và các tế bào tiêu diệt tự nhiên (natural killer-cell) bảo vệ cơ thể khỏi bệnh ung thư như bệnh bạch cầu và virus (Kết quả này đã xác nhận một nghiên cứu gây sốc được công bố trước đó so sánh hệ thống miễn dịch của 8 phi hành gia đã làm việc trên sáu tháng ở ISS với những người trưởng thành khỏe mạnh trên Trái đất: Chỉ trong 90 ngày trong tàu vũ trụ, các tế bào tiêu diệt tự nhiên NK mất đi 50% khả năng chiến đấu với các tế bào ung thư bạch cầu). Chức năng nhận thức của Scott cũng bị biến đổi: anh trở thành nguời lầm lì, lơ đễnh.

Nhưng cơ thể con người có khả năng thích nghi tuyệt vời: Scott trở lại bình thường trong vòng sáu tháng sau khi trở lại Trái đất, ngoại trừ những sự suy giảm bình thường của tuổi tác. Đáng ngạc nhiên nhất là telomere của anh kéo dài một cách kỳ lạ, có lẽ vì anh tập thể dục quá nhiều trong khi lại ăn rất ít. Nhưng trong vòng 48 giờ sau khi trở về Trái đất, hầu hết các telomere cũng đã trở lại mức cơ bản ban đầu, sáu tháng sau nhiệm vụ của mình, số lượng telomere tổng thể ít đi trong khi số lượng telomere cực ngắn lại tăng. Phát hiện đó rất đáng báo động: Mất telomere có thể làm tăng nguy cơ mắc ung thư và các bệnh khác của tuổi già đối với các phi hành gia.

Các tác giả thực hiện nghiên cứu này đã xác định: ảnh hưởng mất telomere của Scott được cho là "nguy cơ chưa xác định"; sự biến đổi của hệ vi sinh đường ruột là "nguy cơ thấp"; hội chứng thần kinh mắt liên quan tới không gian là "nguy cơ cao". Và một trong những thay đổi có ảnh hưởng nghiêm trọng nhất là sự thay đổi về DNA và biểu hiện gene. 91,3% hệ gene của Scott mà có biểu hiện thay đổi trong chuyến du hành đã trở lại trạng thái bình thường trong vòng sáu tháng sau đó nhưng biểu hiện của một tập hợp gene chuyên biệt gồm 811 gene đã không trở về trạng thái ban đầu, hầu hết tất cả chúng đều liên quan đến chức năng miễn dịch và sửa chữa DNA. Đó là tin xấu cho tương lai của con người trong không gian, bởi vì chúng chính là những gene bảo vệ các phi hành gia khỏi bức xạ không gian.

Từ trường và bầu khí quyển Trái đất che chở chúng ta khỏi hầu hết các bức xạ ion hóa truyền qua không gian. Trong khi đó, một phi hành gia có thể đã nhận được 5,59 mSv trong một tuần. Phi hành đoàn của Apollo 14 phơi nhiễm với 11,4 mSv còn Scott Kelly đã hấp thụ 146,34 mSv trong năm. DNA của Scott bị xoắn một cách kỳ lạ. Các đoạn trên nhiễm sắc thể của anh dịch chuyển và đảo ngược, phần lớn có lẽ là kết quả của bức xạ không gian và tổn thương DNA đó có thể góp phần vào sự mất kiểm soát biểu hiện gene. Có một chi tiết đặc biệt đáng lo ngại, số lượng gene được biểu hiện khác biệt cao hơn gấp sáu lần trong sáu tháng cuối của Scott. Cả Chris Mason và bất kỳ nhà nghiên cứu khác đều không biết liệu sự mất kiểm soát biểu hiện gene có giảm hay tiếp tục tăng nếu Scott sống thêm sáu tháng hoặc lâu hơn trên ISS. "Chúng tôi biết rằng đó không phải là hướng đi mà chúng tôi muốn. Chúng tôi thấy một loạt các mạng điều hoà gene được kích hoạt để đáp ứng với tổn thương DNA và sự thích nghi của cơ thể, nhưng từng đó có thể không đủ để khắc phục thiệt hại do phóng xạ gây ra", Mason nói.

Nên nhớ, trạm không gian ISS chỉ cách Trái đất 250 dặm, một khoảng cách quá nhỏ so với khoảng cách từ Trái đất đến sao Hỏa. Nếu thám hiểm sao Hỏa, một phi hành gia có thể hấp thụ tới 1.200 mSv. Mặc dù vậy, nguy cơ mắc bệnh ung thư nói chung đối với các phi hành gia hiện nay là tương đối thấp do họ đang có những chuyến du hành gần Trái đất. Lượng bức xạ lớn sẽ có thể là vấn đề nghiêm trọng đối với phi hành gia khi thám hiểm sao Hỏa.

Nghiên cứu về cặp đôi song sinh của NASA có hạn chế rõ ràng. "Với một thí nghiệm phức tạp như vậy mà chỉ có duy nhất một đối tượng thì chúng ta không thể quy kết nhân quả giữa việc du hành vũ trụ với những biến đổi ngẫu nhiên của cơ thể. Cần phải thực hiện thêm các thử nghiệm đối chứng". Một kỹ sư sinh hóa của trường Đại học MIT chỉ trích.

Bill Paloski, giám đốc chương trình nghiên cứu con người của NASA, đồng thời là ủng hộ nhiệt thành cho nghiên cứu, hiểu điều đó. Ông tin rằng nghiên cứu này là nền tảng đưa ra các giả thuyết quan trọng cho việc định hình các nghiên cứu sâu hơn. Chris Mason, người đầu tiên đề xuất theo dõi bộ gene và biểu sinh của các phi hành gia trước, trong và sau khi lên vũ trụ năm 2010, sẽ tiếp tục theo đuổi hướng nghiên cứu này. Nhóm của ông có thêm bảy bài báo đang được bình duyệt, bao gồm các bài viết về đột biến soma và động lực học tế bào đơn. Ngoài ra, có năm hoặc sáu bài báo khác cũng sắp được công bố từ các nhóm nghiên cứu khác.

Mason thậm chí còn có tham vọng lớn hơn nhiều với đề xuất kế hoạch 500 năm cho việc khám phá không gian. "Nghiên cứu về cặp song sinh giúp lập bản đồ toàn diện về hệ gene người trong không gian vũ trụ. Đây là bước tiến lớn đầu tiên trên con đường 500 năm, thể hiện lộ trình ứng phó và rủi ro y sinh đối với các chuyến bay vũ trụ trong thời gian dài, giúp các phi hành gia có thể sống sót sau chuyến đi tới sao Hỏa và sống được trên đó".

Ngày nay, chúng ta đơn giản là chưa biết về ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ đối với con người trong khoảng thời gian dài lên tới vài năm. Và chúng ta cũng chưa có liệu pháp nào để ngăn ngừa hay điều trị các bệnh gây ra bởi bức xạ từ trường. Điều cần phải làm tiếp theo là NASA sẽ hợp tác với các nhà nghiên cứu trước đây thu thập thêm nhiều dữ liệu bằng cách mở rộng nghiên cứu với nhiều phi hành gia hơn. □

Nguyễn Cường lược dịch

Nguồn: https://www.wired.com/story/are-humans-fit-for-space-a-herculean-study-says-maybe-not/