Phát hiện kinh ngạc về cặp phi hành gia song sinh của NASA

NASA có các kế hoạch lớn cho tương lai của những chuyến bay đưa con người vào vũ trụ. Cơ quan hàng không này đã đề xuất ra các sứ mạng dài hạn đưa con người lên mặt trăng và cuối cùng là đặt chân lên sao Hỏa, và yêu cầu việc sử dụng các tiến bộ về tên lửa và phần cứng về bay vũ trụ.

Nhưng cùng với công nghệ mới, các nhà khoa học đang vật lộn với một câu hỏi quan trọng khác: Liệu bản thân cơ thể con người có thể chịu đựng thời gian lâu dài trong vũ trụ? Một sứ mạng sao Hỏa có thể kéo dài từ 2 đến 3 năm, trong khi các chuyến thám hiểm vũ trụ khác thường kéo dài 6 tháng hoặc ngắn hơn.

Những sứ mạng mở rộng ngoài quỹ đạo trái đất có thể để lại những tác động nguy hiểm về sinh học trong cơ thể các nhà du hành vũ trụ. Để nghiên cứu về ảnh hưởng của vi trọng lực, bức xạ và tình trạng "giam cầm" trong các chuyến bay dài ngày, NASA đã lựa chọn hai anh em sinh đôi Scott và Mark Kelly cho một sứ mạng rất độc đáo.

Hai anh em sinh đôi Scott và Mark Kelly

Hai anh em song sinh đã từng làm phi hành gia và phi công thử nghiệm của NASA. Bản thân Scott được lựa chọn cho sứ mạng thời hạn 1 năm bay tới Trạm vũ trụ quốc tế (ISS), và để lại người em trai - bản sao di truyền của Scott - xuống trái đất. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Mark như là một đối tượng kiểm soát nhằm so sánh với bất kỳ sự thay đổi nào ở Scott trong suốt chuyến bay ngoài vũ trụ của ông (kéo dài từ ngày 27/3/2015 đến ngày 1/3/2016).

10 nhóm các nhà khoa học đã nghiên cứu các khía cạnh khác nhau về sức khỏe và sinh học của cặp song sinh (từ biểu hiện gene, vi khuẩn đường ruột và nhận thức). Một nhóm các nhà khoa học trong số đó đã công bố nghiên cứu của họ theo dạng kiểm tra chéo và dự kiến phát hành ngày hôm 12/4/2019 trên tờ Science.

Với hơn 80 tác giả tham gia, cuộc nghiên cứu đã đi đến phân tích một chuỗi mở rộng cơ sở dữ liệu được thu thập từ cặp anh em song sinh trong thời hạn diễn ra sứ mạng 1 năm cộng với vài tháng trước và sau sứ mạng. Các kết quả cho thấy cơ thể của ông Scott đã phục hồi nhanh chóng sau 340 ngày bị trầm cảm trong các điều kiện vũ trụ. Các tác giả viết rằng: "Nghiên cứu đã tạo ra một bức tranh chân dung tích hợp về phân tử, tâm sinh lý và những thích ứng hành vi cùng các thách thức cho cơ thể con người trong suốt chuyến bay mở rộng".

Câu hỏi về lão hóa

Một trong 10 nhóm nghiên cứu được dẫn đầu bởi bà Susan Bailey, bà là giáo sư về sinh học ung thư và bức xạ tại Đại học công Colorado (CSU, Mỹ) chuyên tập trung nghiên cứu vào các Telomere (những chiếc mũ bảo vệ phần cuối của các sợi ADN).

Trên trái đất, những Telomere dạng này thường bị cạn kiệt trong suốt cuộc đời của con người khi mỗi vòng sao chép ADN dần dần cách xa chúng. Khi nhóm của GS Susan Bailey phân tích các Telomere trong những tế bào bạch cầu của ông Scott, họ đã phát hiện ra rằng độ dài trung bình của các Telomere trong các tế bào bạch cầu đã gia tăng trong suốt sứ mạng vũ trụ. GS Susan Bailey quả quyết: "Quả là hoàn toàn trái ngược so với những gì chúng ta tưởng tượng. Thực tế rằng, bởi vì tất cả những áp lực độc đáo và sự tiếp xúc với những thứ như vi trọng lực, bức xạ không gian và sự cô lập… đã thật sự làm đẩy nhanh việc Telomere bị mất trong không gian".

Khi Scott quay trở về lại trái đất, nhóm của GS Bailey đã quan sát rằng độ dài trung bình Telomere của ông đã giảm gần bằng với mức độ trước chuyến bay.

Tuy nhiên, ngay sau thời gian bay, đã có một lượng lớn Telomere bị mất hay rút ngắn một cách nghiêm trọng.

Đây là một phát hiện quan trọng: khi Telomere bị rút ngắn và mất mát thì nó thường liên đới với lão hóa và dễ mắc các căn bệnh liên quan đến tuổi tác bao gồm các vấn đề tim mạch và ung thư. Các nhà nghiên cứu vẫn không chắc rằng làm thế nào hay tại sao những Telomere lại thay đổi như thế. Nhóm nghiên cứu hy vọng việc phân tích hoạt động của Telomerase (một loại enzyme giúp mở rộng Telomere nhưng lại ngừng trong hầu hết các tế bào cơ thể người trưởng thành) có thể hiểu ra thứ gì đã được kích hoạt trong chuyến bay không gian của ông Scott.

GS Bailey nhấn mạnh: "Vật liệu mà các nhà nghiên cứu cần lại bị "mất trong vũ trụ". Các mẫu máu được vận chuyển trở lại trái đất trên tàu vũ trụ Soyuz, nhưng hoạt động của Telomerase đã chết khi xuống trái đất, có lẽ là do thay đổi nhiệt độ trong quá trình tái đăng nhập vào bầu khí quyển của trái đất. Tìm hiểu sâu về cơ chế ẩn đằng sau những thay đổi trong và sau chuyến bay vũ trụ sẽ là rất quan trọng, để có cách hiểu thấu đáo hơn về lão hóa có giá trị đối với sức khỏe của "người trần tục".

Biểu hiện gene trong vũ trụ

Các nhà nghiên cứu cũng nghiên cứu về bộ gene của phi hành gia Scott nhằm tìm hiểu biểu hiện gene sẽ như thế nào trong suốt chuyến bay, nhất là trong các tình huống căng thẳng. Nhóm này được dẫn đầu bởi ông Chris Mason, một nhà Di truyền học tại Weill Cornell Medicine, cơ quan chuyên nghiên cứu về các sửa đổi ADN và RNA nhằm báo hiệu sự thích nghi biểu sinh. Họ quan sát một số thay đổi về cách gene biểu hiện, và những biến thể này đã tăng tốc trong vòng 6 tháng cuối của sứ mạng bay vũ trụ.

Bức đồ họa về con đường của Nghiên cứu song sinh từ giai đoạn nghiên cứu đến lúc tích hợp thành một bài báo với sự đồng hành của vài công trình khoa học. Ảnh nguồn: NASA.

Chúng nhiều hơn gấp 6 lần khi mà những khác biệt trong các biểu hiện gene đã phát sinh trong nửa sau chuyến bay so với thời điểm bắt đầu bay. Ông Chris Mason reo lên: "Những phát hiện thật đáng kinh ngạc! Các biến đổi di truyền đã duy trì hoặc gia tăng cho thấy rằng cơ thể con người tiếp tục thay đổi trong những khoảng thời gian dài của sứ mạng bay".

Ông Andrew Feinberg, giáo sư và nhà nghiên cứu y khoa tại Đại học Johns Hopkins và các đồng nghiệp đã nghiên cứu về nhóm Methyl (những dấu hiệu hóa học thường báo hiệu các hoạt động thay đổi trong biểu hiện gene) và khám phá ra một lượng biểu sinh đã thay đổi tương tự với cả hai anh em song sinh. Bất chấp một số khác biệt nhỏ, bộ gene của phi hành gia Scott đã hành xử theo cách "không đáng lo ngại", GS Feinberg quả quyết.

Nhà di truyền học Chris Mason nói: "Sau khi sứ mạng bay kết thúc, 90% biểu hiện gene sửa đổi đã trở về lại như thời điểm trước chuyến bay, đây được xem là một dấu hiệu tốt nói rằng cơ thể đã phục hồi sau chuyến bay dài ngày. 10% biểu hiện gene khác (bao gồm hơn 800 gene) sẽ liên quan đến phản hồi miễn dịch và sửa chữa ADN vẫn sẽ tiếp tục được biểu hiện khác nhau trong suốt 6 tháng sau khi Scott quay lại địa cầu”.

Nhà di truyền học Chris Mason giải thích: "Ở một mức độ nào đó, dường như một số góc độ nào đó, các tế bào trong cơ thể có ký ức với chuyện gì đã xảy ra cùng một số thích ứng và hiệu chuẩn lại khi trở lại trái đất".

Ảnh hưởng về chuyến bay trong tâm trí

Một nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu về nhận thức và khám phá ra rằng: hiệu suất của Scott trên một chuỗi các bài thử nghiệm nhận thức đã suy giảm sau sứ mạng bay. Ông Mathias Basner, một giáo sư tâm thần học tại Đại học Pennsylvania, và nhóm của mình đã thiết kế một thử nghiệm nhận thức chuyên biệt cho NASA: một loạt 10 nhiệm vụ được vi tính hóa nhằm đo lường các khía cạnh khác nhau về suy nghĩ của các phi hành gia vũ trụ bao gồm nhận thức cảm xúc, nói về rủi ro và sự lưu tâm. Mặc dù các biện pháp trên chuyến bay của Scott đều ổn định, nhưng "hiệu quả nhận thức" hay tốc độ và độ chính xác của ông trong việc hoàn thiện bài kiểm tra đều giảm sút khi quay trở lại trái đất.

Sự suy giảm kéo dài 6 tháng sau chuyến trở về của Scott. Trong khi Scott không hiển thị bất kỳ hiệu ứng nhận thức đáng báo động nào trong suốt chuyến bay vũ trụ dài 1 năm, thì ông lại thể hiện nhiều rắc rối hơn với các bài xét nghiệm sau khi trở về lại môi trường trái đất, so với sự tái điều chỉnh của ông sau sứ mạng 6 tháng từ tháng 10/2010 đến tháng 3/2011.

GS Mathias Basner giải thích: "Các kết quả nhận thức có thể là một "lá cờ đỏ" khi việc lập kế hoạch một số thứ như sứ mạng sao Hỏa, trong suốt thời gian đó các phi hành gia sẽ phải thực hiện một số công việc phức tạp sau khi hạ cánh. Vũ trụ là môi trường rất khắc nghiệt. Chúng tôi luôn muốn các phi hành gia thể hiện tốt nhất bởi vì bất kỳ một lỗi nhỏ nào cũng sẽ tạo ra những thảm họa khôn lường, có thể làm thất bại sứ mạng, tổn thất trang thiết bị và thậm chí cả sinh mạng con người.

Mặc dù nó có khả năng gây ra mức độ suy yếu cao làm ảnh hưởng tới các sứ mạng của những phi hành gia qua đào tạo, và những thay đổi về nhận thức nên được giám sát kỹ trong các sứ mạng tương lai, đặc biệt kể từ khi loài người có khả năng kém trong việc đánh giá tình trạng nhận thức của họ, có khuynh hướng chấp nhận các điều kiện hiện tại của họ ngay cả khi tệ hơn so với trước đó".

Thám hiểm vũ trụ từ cơ thể

Trong suốt phần còn lại cơ thể của Scott, các nhà nghiên cứu đã quan sát những thay đổi khác liên quan đến sứ mạng bay. Trong một nghiên cứu về Microbiome (quần xã vi khuẩn sống trong ruột người), một nhóm các nhà nghiên cứu đã nhận thấy có những tỷ lệ của các loại vi khuẩn khác nhau thay đổi trong 1 năm bay của Scott trong vũ trụ.

Nhìn chung sự đa dạng của vi khuẩn đã giảm đi, tuy nhiên nó cũng là một dấu hiệu tốt cho thấy microbiome vẫn khỏe mạnh. Một nhóm nghiên cứu được dẫn đầu bởi bà Brinda Rana, một nhà nghiên cứu khoa học sức khỏe tại Đại học California San Diego (UCSD) đã phát hiện rằng có vài chất đạm cũng thay đổi trong suốt chuyến bay không gian.

Các mẫu nước tiểu được thu thập từ khi Scott có mặt ở ISS có chứa một mức độ collagen cao. Bà Brinda Rana nhấn mạnh: "Quan sát thứ này cùng với những thay đổi sinh lý (giống như những gì được quan sát trong 2 nhãn cầu và hệ thống mạch máu của Scott) có thể là dấu hiệu cho thấy cơ thể đang tái cấu trúc.

Các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy mức độ Aquaporin 2 cao. Tuy nhiên, phần lớn những thay đổi được quan sát bởi nhóm của bà Brinda Rana và các nhóm nghiên cứu khác đã biến mất một khi Scott xuống trái đất. Bà Brinda Rana phân tích: "Điều này cho thấy cơ thể đã dẻo dai như thế nào. Cơ thể con người đã nhanh chóng thích ứng như thế nào với các dạng môi trường khác nhau. Một năm trong vũ trụ, cơ thể con người có thể xử lý được".

Vì nghiên cứu anh em song sinh của NASA chỉ là quy mô nhỏ nên các nhà nghiên cứu đang cảm thấy áp lực khi họ không thể có cái nhìn chung nhất về kết quả, họ không thể chứng minh được mối dây liên hệ trực tiếp giữa chuyến bay không gian và những quan sát. GS Andrew Feinberg và các nhà điều tra khác đã cố gắng tìm hiểu những thay đổi nào đã diễn ra trong suốt sứ mạng bay không gian, nhằm tạo ra một hình dạng chung nhất. NASA đang có các kế hoạch để điền thêm những hiểu biết mới vào bản đồ cơ thể người.

GS Susan Bailey và những nhà nghiên cứu khác sẽ tiếp tục dự án giám sát "10 phi hành gia trong sứ mạng một năm, 10 phi hành gia trong sứ mạng 6 tháng, và 10 phi hành gia trong các sứ mạng từ 2 -3 tháng". Dữ liệu sức khỏe sẽ so sánh với những người có mặt trên mặt đất - họ bị cô lập trong cùng thời .gian thử nghiệm, theo một thông cáo báo chí của CSU. Bà Brinda Rana hiện đang nghiên cứu về các đối tượng trên giường ngủ nhằm bắt chước tình trạng không trọng lực. Về phần phi hành gia Scott Kelly, ông đang chuẩn bị cho một sứ mạng bay dài ngày.

Trong cuốn sách viết hồi năm 2017 mang tựa đề "Sự chịu đựng: một năm của tôi trong vũ trụ, một đời khám phá trọn vẹn", ông Scott viết: "Tôi sẽ tiếp tục làm các bài kiểm tra mỗi năm một lần trong suốt cuộc đời của mình. Nó không hề làm phiền tôi, mà rất có giá trị trong việc đóng góp kiến thức cho sự tiến bộ của nhân loại".