Sự sống trên Trái đất được sử dụng để hấp dẫn. Vậy điều gì xảy ra với các tế bào và mô của chúng ta trong không gian?
Nhìn ma, không trọng lực! Hình ảnh qua NASA.
Bởi Andy Tây, Trường đại học California, Los Angeles
Có một lực lượng có ảnh hưởng rất lớn trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta đến nỗi chúng ta có thể không nghĩ gì về nó cả: trọng lực. Trọng lực là lực gây ra sự hấp dẫn giữa các khối lượng. Nó Vất vả tại sao khi bạn làm rơi cây bút, nó rơi xuống đất. Nhưng vì lực hấp dẫn tỷ lệ thuận với khối lượng của vật thể, chỉ những vật thể lớn như hành tinh mới tạo ra những điểm hấp dẫn hữu hình. Đây là lý do tại sao nghiên cứu về trọng lực theo truyền thống tập trung vào các vật thể lớn như các hành tinh.
Tuy nhiên, các nhiệm vụ không gian có người lái đầu tiên của chúng tôi đã thay đổi hoàn toàn cách chúng tôi nghĩ về các hiệu ứng trọng lực trên các hệ thống sinh học. Lực hấp dẫn không chỉ giữ chúng tôi neo xuống đất; nó ảnh hưởng đến cách cơ thể chúng ta làm việc trên quy mô nhỏ nhất. Bây giờ với triển vọng của các sứ mệnh không gian dài hơn, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu để tìm ra sự thiếu trọng lực có ý nghĩa gì đối với sinh lý học của chúng ta - và làm thế nào để bù đắp cho nó.
Trong những chuyến thám hiểm kéo dài hàng tháng trong vũ trụ, các phi hành gia, các cơ quan của phi hành gia phải đối phó với một môi trường không trọng lực rất khác với những gì họ đã từng sử dụng trên Trái đất. Hình ảnh qua NASA.
Giải phóng khỏi lực hấp dẫn
Đó là cho đến khi các nhà thám hiểm du hành vào vũ trụ mà bất kỳ sinh vật nào trên trái đất đã dành thời gian trong một môi trường vi trọng lực.
Các nhà khoa học quan sát thấy các phi hành gia trở về đã phát triển cao hơn và giảm đáng kể khối lượng xương và cơ. Tò mò, các nhà nghiên cứu bắt đầu so sánh các mẫu máu và mô từ động vật và phi hành gia trước và sau khi du hành vũ trụ để đánh giá tác động của trọng lực lên sinh lý học. Các nhà khoa học phi hành gia trong môi trường phần lớn không có trọng lực của Trạm vũ trụ quốc tế bắt đầu nghiên cứu cách các tế bào phát triển trong không gian.
Tuy nhiên, hầu hết các thí nghiệm trong lĩnh vực này thực sự được tiến hành trên Trái đất, sử dụng vi trọng lực mô phỏng. Bằng cách quay các vật thể - chẳng hạn như các tế bào - trong máy ly tâm ở tốc độ nhanh, bạn có thể tạo ra các điều kiện trọng lực giảm này.
Các tế bào của chúng ta đã phát triển để đối phó với các lực trong một thế giới đặc trưng bởi trọng lực; Nếu họ bất ngờ giải phóng khỏi các hiệu ứng hấp dẫn, mọi thứ bắt đầu trở nên kỳ lạ.
Phát hiện lực lượng ở cấp độ tế bào
Cùng với lực hấp dẫn, các tế bào của chúng ta cũng phải chịu các lực bổ sung, bao gồm căng thẳng và ứng suất cắt, khi điều kiện thay đổi trong cơ thể chúng ta.
Các tế bào của chúng ta cần cách để cảm nhận các lực này. Một trong những cơ chế được chấp nhận rộng rãi là thông qua những gì được gọi là kênh ion nhạy cảm cơ. Các kênh này là lỗ chân lông trên màng tế bào cho phép các phân tử tích điện đặc biệt đi vào hoặc ra khỏi tế bào tùy thuộc vào lực mà chúng phát hiện.
Các kênh trong màng tế bào, đóng vai trò là người gác cổng, mở hoặc đóng để cho các phân tử vào hoặc ra để đáp ứng với một kích thích cụ thể. Hình ảnh qua Efazzari.
Một ví dụ về loại thụ thể mechano này là kênh ion PIEZO, được tìm thấy trong hầu hết các tế bào. Họ phối hợp cảm ứng và cảm giác đau, tùy thuộc vào vị trí của họ trong cơ thể. Chẳng hạn, một nhúm trên cánh tay sẽ kích hoạt kênh ion PIEZO trong tế bào thần kinh cảm giác, bảo nó mở cổng.Trong vài giây, các ion như canxi sẽ xâm nhập vào tế bào, truyền thông tin rằng cánh tay bị chèn ép. Một loạt các sự kiện lên đến đỉnh điểm trong việc rút cánh tay. Loại cảm biến lực này có thể rất quan trọng, vì vậy các tế bào có thể nhanh chóng phản ứng với các điều kiện môi trường.
Không có trọng lực, các lực tác động lên các kênh ion nhạy cảm cơ học bị mất cân bằng, gây ra các chuyển động bất thường của các ion. Các ion điều hòa nhiều hoạt động của tế bào; nếu họ không đi đâu khi họ cần, công việc của các tế bào sẽ trở nên tồi tệ. Sự tổng hợp protein và chuyển hóa tế bào bị phá vỡ.
Sinh lý không trọng lực
Trong ba thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã cẩn thận trêu chọc làm thế nào các loại tế bào và hệ thống cơ thể đặc biệt bị ảnh hưởng bởi vi trọng lực.
-
Não: Từ những năm 1980, các nhà khoa học đã quan sát thấy rằng sự thiếu trọng lực dẫn đến tăng khả năng giữ máu ở phần trên cơ thể, và do đó làm tăng áp lực trong não. Nghiên cứu gần đây cho thấy áp lực tăng cao này làm giảm sự giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh, các phân tử quan trọng mà các tế bào não sử dụng để giao tiếp. Phát hiện này đã thúc đẩy các nghiên cứu về các vấn đề nhận thức phổ biến, chẳng hạn như khó khăn trong học tập, trong việc trở lại các phi hành gia.
-
Xương và cơ bắp: Không trọng lượng của không gian có thể gây ra mất hơn 1 phần trăm xương mỗi tháng, ngay cả trong các phi hành gia trải qua chế độ tập luyện nghiêm ngặt. Bây giờ các nhà khoa học đang sử dụng những tiến bộ trong genomics (nghiên cứu về trình tự DNA) và proteomics (nghiên cứu về protein) để xác định cách thức các tế bào xương Sự trao đổi chất được điều hòa bởi trọng lực. Khi không có lực hấp dẫn, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng loại tế bào chịu trách nhiệm hình thành xương bị ức chế. Đồng thời loại tế bào chịu trách nhiệm cho việc thoái hóa xương được kích hoạt. Cùng với nhau, nó làm tăng tốc độ mất xương. Các nhà nghiên cứu cũng đã xác định được một số phân tử quan trọng kiểm soát các quá trình này.
-
Miễn dịch: Tàu vũ trụ được khử trùng nghiêm ngặt để ngăn chặn sự di chuyển của các sinh vật lạ. Tuy nhiên, trong nhiệm vụ Apollo 13, một phi hành gia bị nhiễm mầm bệnh cơ hội Fred Haise. Vi khuẩn này, Pseudomonas aeruginosa, thường chỉ lây nhiễm cho các cá nhân bị suy giảm miễn dịch. Tập phim này gây ra sự tò mò nhiều hơn về cách hệ thống miễn dịch thích nghi với không gian. Bằng cách so sánh các mẫu máu của phi hành gia, trước và sau các nhiệm vụ không gian của họ, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng việc thiếu trọng lực làm suy yếu chức năng của các tế bào T. Những tế bào miễn dịch chuyên biệt này chịu trách nhiệm chống lại một loạt các bệnh, từ cảm lạnh thông thường đến nhiễm trùng huyết chết người.
Cho đến nay, không có sự thay thế nhanh chóng cho trọng lực. Hình ảnh qua Andy Tay.
Bồi thường cho việc thiếu trọng lực
NASA và các cơ quan không gian khác đang đầu tư để hỗ trợ các chiến lược sẽ chuẩn bị cho con người du hành vũ trụ trên quãng đường dài hơn. Tìm hiểu làm thế nào để chịu được trọng lực là một phần lớn trong đó.
Bài tập không gian trên Trạm vũ trụ quốc tế. Hình ảnh qua NASA.
Phương pháp tốt nhất hiện nay để khắc phục sự vắng mặt của trọng lực là tăng tải trọng lên các tế bào theo một cách khác - thông qua tập thể dục. Các phi hành gia thường dành ít nhất hai giờ mỗi ngày để chạy và nâng tạ để duy trì lượng máu khỏe mạnh và giảm mất xương và cơ bắp. Thật không may, các bài tập nghiêm ngặt chỉ có thể làm chậm sự suy giảm sức khỏe của phi hành gia, chứ không thể ngăn chặn nó hoàn toàn.
Bổ sung là một phương pháp khác các nhà nghiên cứu đang điều tra. Thông qua các nghiên cứu genomics và proteomics quy mô lớn, các nhà khoa học đã cố gắng xác định các tương tác hóa học tế bào cụ thể bị ảnh hưởng bởi trọng lực. Bây giờ chúng ta biết rằng trọng lực ảnh hưởng đến các phân tử quan trọng kiểm soát các quá trình di động như tăng trưởng, phân chia và di chuyển. Ví dụ, các tế bào thần kinh phát triển trong vi trọng lực trên Trạm vũ trụ quốc tế có ít hơn một loại thụ thể cho chất dẫn truyền thần kinh GABA, điều khiển chuyển động và thị giác của động cơ. Thêm nhiều chức năng khôi phục GABA, nhưng cơ chế chính xác vẫn chưa rõ ràng.
NASA cũng đang đánh giá xem việc bổ sung men vi sinh vào thực phẩm không gian để tăng cường hệ thống tiêu hóa và miễn dịch của các phi hành gia có thể giúp ngăn chặn các tác động tiêu cực của vi trọng lực.
Trong những ngày đầu của du hành vũ trụ, một trong những thử thách đầu tiên là tìm ra cách vượt qua trọng lực để một tên lửa có thể thoát khỏi lực kéo của Earth. Bây giờ thách thức là làm thế nào để bù đắp các tác động sinh lý của việc thiếu lực hấp dẫn, đặc biệt là trong các chuyến bay không gian dài.
Andy Tây, tiến sĩ Sinh viên ngành Kỹ thuật sinh học, Trường đại học California, Los Angeles
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên The Convers. Đọc bài viết gốc.