Chương 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Sinh học không gian 1. Mục tiêu nghiên cứu của sinh học không gian Trong quá trình đẩy mạnh việc khám phá vũ trụ, sinh học không gian đã trở thành một trong các lĩnh vực quan trọng.
Các nghiên cứu sinh học không gian bao gồm nhiều lĩnh vực khác nhau, từ việc mô phỏng điều kiện không gian trên mặt đất để phân tích phản ứng của sinh vật đến việc thực hiện các thí nghiệm trong các phòng thí nghiệm không gian. Những thí nghiệm này tập trung vào việc nghiên cứu và quan sát sự điều chỉnh và khả năng thích nghi của sinh vật với điều kiện không gian, quá trình biến dưỡng, tăng trưởng và phát triển, khả năng đáp ứng với stress, chỉnh sửa tổn thương và bảo vệ trong điều kiện vi trọng lực, phóng xạ không gian ở các cấp độ sinh học từ phân tử đến cơ thể sinh vật. Từ đó làm tiền đề để đưa ra được những cách thức bảo vệ sức khỏe của phi hành gia, sinh học không gian nhằm đảm bảo sự an toàn và thành công trong các nhiệm vụ không gian dài hạn [1]. Sinh học không gian cơ bản (Fundamental Space Biology) là lĩnh vực nghiên cứu sinh học không gian, tập trung vào việc tìm hiểu các nguyên lý cơ bản và cơ chế sinh học khi sinh vật sống trong các điều kiện không gian [4,7].
Các mục tiêu nghiên cứu chính của sinh học không gian cơ bản bao gồm: • Hiểu rõ tác động của vi trọng lực lên sinh học: Sử dụng trọng lực, vi trọng lực và các đặc tính khác của môi trường không gian để nghiên cứu và đánh giá sự tác động của môi trường không gian lên cơ thể sống, đặc biệt là trên con người. • Thích nghi và phát triển trong môi trường không gian: nghiên cứu này giúp chúng ta chuẩn bị cho việc duy trì sự sống lâu dài trong các nhiệm vụ không gian dài hạn, đồng thời cung cấp thông tin cần thiết để cải thiện các biện pháp hỗ trợ sinh vật trong các chuyến bay vũ trụ. • Hỗ trợ các hoạt động của NASA liên quan đến y sinh học: cung cấp các thông tin và dữ liệu cần thiết để hỗ trợ các nghiên cứu và hoạt động của NASA trong lĩnh vực y sinh học, bao gồm việc phát triển các công nghệ và phương pháp mới để bảo vệ sức khỏe của phi hành gia. 4 • Nghiên cứu về sinh học tiến hóa và nguồn gốc sự sống: nghiên cứu các câu hỏi về sự tiến hóa và nguồn gốc sự sống trong các môi trường khắc nghiệt, và liệu sự sống có thể tồn tại và phát triển ở những nơi khác ngoài Trái Đất.
• Ứng dụng vào cuộc sống trên Trái Đất: ứng dụng các kiến thức, đóng góp vào nền y học và sinh học trên Trái Đất để cải thiện vị thế quốc gia, giáo dục, chất lượng cuộc sống tại nơi đây. Các lĩnh vực của sinh học không gian Để đạt được các mục tiêu trong nghiên cứu sinh học không gian, cần phải hiểu rõ các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chức năng và cấu trúc sinh học trong môi trường không gian. Cụ thể, cần xác định các lực như vi trọng lực và bức xạ vũ trụ, đồng thời nghiên cứu vai trò của các gen và cấu trúc tế bào trong việc cảm nhận và phản ứng với các yếu tố này. Việc này giúp hiểu rõ hơn về mức độ ảnh hưởng của trọng lực và bức xạ đến các thành phần sinh học như tế bào, cơ quan, và toàn cơ thể.
Cũng cần nghiên cứu cách các loài động vật, thực vật và các giới sinh vật khác cảm ứng và thích nghi với trọng lực, cũng như vai trò của trọng lực trong việc hình thành cấu trúc, chức năng và tương tác của hệ sinh thái hành tinh trong không gian [7]. Những nghiên cứu trên các loài sinh vật đa dạng giúp cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức các sinh vật khác nhau phản ứng và thích nghi với môi trường không gian, từ đó hỗ trợ các nhiệm vụ không gian dài hạn và các ứng dụng trong sinh học trên Trái Đất. Những nghiên cứu này thường được thực hiện trong các điều kiện mô phỏng trọng lực từ vi trọng lực cho đến siêu trọng lực [1, 2]. Các loài sinh vật như vi khuẩn, ruồi giấm, nấm men, các loài gặm nhấm, và các loại thực vật như cây cải, lúa mì, đậu xanh, v.
được lựa chọn để thực hiện các thí nghiệm này. Sinh học không gian cơ bản bao gồm nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau, mỗi lĩnh vực tập trung vào một khía cạnh cụ thể của ảnh hưởng không gian đối với sinh vật: • Cấu trúc phân tử và tương tác vật lý: lĩnh vực này tập trung vào việc nghiên cứu các ảnh hưởng vật lý của môi trường không gian đối với tế bào và sinh vật. • Sinh học phân tử và tế bào: nghiên cứu này nhằm hiểu rõ các cơ chế phân tử liên quan đến sự phản ứng của tế bào và sinh vật với điều kiện không gian, từ đó giúp giải mã các thay đổi sinh học khi thiếu trọng lực. 5 • Sinh học phát triển: nghiên cứu sự ảnh hưởng của trọng lực đối với sự phát triển và chức năng sinh lý, cũng như khả năng sinh sản và phát triển của phôi thai.
Nghiên cứu cũng xem xét cơ chế tác động lên các thế hệ tiếp theo, bao gồm theo dõi hành vi, tuổi thọ và sự lão hóa của sinh vật. • Sinh học tiến hóa: nghiên cứu nhằm hiểu rõ các cơ chế tiến hóa trong môi trường không gian và khả năng thích nghi của sinh vật đối với các điều kiện khắc nghiệt. • Sinh thái học trọng lực: tìm hiểu ảnh hưởng của trọng lực lên cấu trúc, chức năng và sự ổn định của hệ sinh thái bao gồm sự tương tác giữa các loài, sự tuần hoàn chất dinh dưỡng, và cách mà các hệ sinh thái có thể được duy trì trong không gian. Vi trọng lực 1.
Khái niệm vi trọng lực Trong không gian, phi hành gia không thể di chuyển theo cách thông thường như trên Trái Đất; thay vào đó, họ lơ lửng trong không gian do hiện tượng vi trọng lực (microgravity). Vi trọng lực là tình trạng mà trọng lực tác động lên một vật rất nhỏ (từ 10-3G đến 10-6G, nghĩa là khoảng 10-3 đến 10-6 trọng lực bình thường) hoặc theo định nghĩa của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ NASA, vi trọng lực là điều kiện mà trong đó vật thể trở nên gần như mất trọng lực [3]. Từ “vi” trong vi trọng lực có nghĩa là rất nhỏ. Vi trọng lực xảy ra khi lực kéo của trọng lực trở nên yếu đi.
Trong môi trường này, các vật nặng có thể được di chuyển chỉ bằng một ngón tay do trọng lực yếu đi đáng kể. Vi trọng lực ảnh hưởng đến cơ thể con người theo nhiều cách [4]. Cơ và xương có thể trở nên yếu hơn nếu không có trọng lực [5]. Các phi hành gia sống trên trạm vũ trụ hay du hành đến sao Hỏa sẽ phải dành nhiều tháng trong môi trường vi trọng lực.
Các nghiên cứu về tác động của vi trọng lực là cần thiết để giữ cho các phi hành gia an toàn và khỏe mạnh. Ngoài ra, nhiều hiện tượng sẽ diễn ra khác đi trong môi trường vi trọng lực. Không có lực hấp dẫn, ngọn lửa sẽ trở nên tròn hơn, tinh thể phát triển tốt hơn [6], hình dạng của chúng sẽ hoàn hảo hơn. Do đó, có thể thấy điều kiện vi trọng lực sẽ giúp con người thực hiện được nhiều nghiên cứu khó có thể thực hiện được khi ở trên Trái Đất.
Vi trọng lực mô phỏng Hiện nay có nhiều thiết bị được sử dụng có thể mô phỏng các trạng thái trọng lực khác nhau. Đầu tiên là clinostat cổ điển (là một thiết bị sử dụng quá trình xoay vòng để chống lại tác động của trọng lực), thiết bị này được phát triển đầu tiên vào cuối thế kỉ 19 bởi nhà khoa học Julius von Sachs [7]. Từ đó tới nay, nhiều thiết bị khác đã được tạo ra nhằm mô phỏng trạng thái không trọng lực, chúng có thể phân tán ngẫu nhiên sự định hướng của trọng lực Trái Đất lên đối tượng nghiên cứu, mà đối tượng này không cảm nhận được sự gia tăng trọng lực (trong các hệ thống clinostat) hay sự bù đắp trọng lực (trong hệ thống nâng từ) [8]. Ngoài ra, một hệ thống khác mô phỏng trạng thái không trọng lực là “tháp rơi” (drop-tower), hệ thống này cung cấp các điều kiện rơi tự do thật trên mặt đất, nhưng quá trình này chỉ diễn ra trong vài giây, nó phụ thuộc vào khối lượng và kích cỡ của đối tượng nghiên cứu [9].
Tuy nhiên các hệ thống mô phỏng trên không thể cung cấp điều kiện không trọng lực thật bởi chúng luôn bị tác động bởi yếu tố khác liên quan đến kĩ thuật như sự tăng gia tốc ly tâm, sự rung lắc, hay sự phân tán các lực. Một hệ thống mô phỏng không thể làm giảm vector trọng lực Trái Đất, nhưng nó có thể thay đổi ảnh hưởng của vector trọng lực lên một hệ thống sinh học [10]. Do đó, một máy mô phỏng không thể tạo ra vi trọng lực thật sự, thay vào đó nó có khả năng cung cấp “điều kiện không trọng lực chức năng” (functional weightlessness). Để tránh sự nhầm lẫn và cung cấp một nền tảng cơ bản về vi trọng lực, thuật ngữ “vi trọng lực mô phỏng” (simulated microgravity - SMG) được áp dụng đối với các thí nghiệm sử dụng hệ thống mô phỏng, bao gồm các thông số tạo ra sự mô phỏng (kích thước và hình dạng buồng chứa mẫu, chế độ hoạt động, tốc độ quay hay đường kính ống) [11].
Ngoài ra, thuật ngữ “vi trọng lực” còn được sử dụng trong các điều kiện vi trọng lực thực sự trên trạm ISS (International Space Station) hay các chuyến bay parabol. Hơn nữa, thuật ngữ “vi trọng lực” còn được sử dụng để chỉ các mức độ G khác nhau, từ khoảng 10-2 G cho tới 10-6 G [12]. Các hệ thống mô phỏng vi trọng lực. Các thí nghiệm trong môi trường vi trọng lực để thực hiện có thể được thực hiện thông qua các chuyến bay vũ trụ.
Việc tiếp xúc với môi trường vi trọng lực đã được chứng minh là có gây ảnh hưởng xấu đến sinh vật. Tác dụng phụ 7 đáng kể của việc không trọng lượng trong thời gian dài bao gồm các triệu chứng teo cơ và suy xương [13], thay đổi sản xuất hồng cầu [14] và thay đổi hệ thống miễn dịch [15]. Hiện tượng vi trọng lực làm giảm khối lượng cơ thể, kéo dài telomere, mất ổn định bộ gen, thay đổi quá trình trao đổi chất [16].