Гибернация, криосон, анабиоз: как и зачем погружать астронавтов в спячку

Читать в полной версии

Гибернация, криосон, анабиоз — какое состояние подойдет для космических полетов

Гибернацию, криосон и анабиоз часто считают синонимами: во всех трех случаях физиологические процессы замедляются или полностью останавливаются. Различие состоит в том, как организм погружается в то или иное состояние и как выходит из него.

Криосон — охлаждение организма до экстремально низких температур (около минус 196℃) с помощью жидкого азота. Чтобы кровь при этом не кристаллизовалась и не разрушила сосуды, ее заменяют на незамерзающие растворы. Сейчас таким способом хранят стволовые клетки и донорскую кровь. Людей и животных замораживают только после смерти мозга в частных лабораториях — например, в России этим занимается компания «Криорус». Живые организмы не подвергают криоконсервации, так как после нее не восстанавливаются физиологические процессы.

Некоторые организмы впадают в анабиоз — состояние, при котором процессы жизнедеятельности полностью останавливаются. Например, так делают бактерии и грибы, чтобы выжить при экстремально низких температурах, низкой влажности и других неблагоприятных условиях. Млекопитающие не впадают в анабиоз — у них жизненные процессы замедляются, но не останавливаются.

Гибернация, или гипобиоз, — состояние замедления физиологических процессов, когда снижаются температура тела, частота дыхания и сердцебиения, активность метаболизма. Это происходит с животными, впадающими в сезонную спячку, например медведями, сурками, летучими мышами. После пробуждения функции их организма восстанавливаются. Для полетов в космосе ученые пытаются погрузить человека именно в гибернацию.

Зачем космонавтам спать в полете

Экономия ресурсов и пространства

В гибернации космонавтам не потребуется питание в привычном виде — необходимые организму вещества будут поставляться через систему жизнеобеспечения. За счет сокращения запасов пищи и воды на борту вес шаттла уменьшится, и для полета понадобится меньше топлива.

Космические корабли станут компактнее, так как астронавты будут лежать в капсулах сна, не передвигаясь по салону. Агентство NASA рассчитало, что для экипажа из 4–6 человек объем жилого модуля сократится в шесть раз, а суммарная масса снаряжения, продуктов питания и личных вещей — на 52–68%.

Защита от радиации

В космосе человек за сутки получает в 200 раз больше радиации, чем на Земле. Этот уровень зафиксировали на поверхности Луны. Из-за отсутствия атмосферы земной спутник не защищен от радиации, поэтому показатели соответствуют излучению в открытом космосе. Это равносильно тому, как если бы астронавт ежедневно по 5–6 раз проходил рентгенографию грудной клетки. Повышенное радиоактивное излучение сокращает продолжительность жизни и может вызывать онкологические заболевания.

В состоянии гибернации организм лучше защищен от радиации, чем при бодрствовании. Это выяснили ученые из Болонского университета: они искусственно ввели крыс в спячку и подвергли их рентгеновскому излучению. Анализ тканей органов показал, что для животных в гибернации радиация была менее опасной по сравнению с крысами, которых облучали в состоянии активности.

Помимо физиологического аспекта есть и технический. По словам Джейсона Дерлета, инженера и руководителя Института передовых концепций NASA, когда все космонавты находятся в одной части корабля и не передвигаются, ее проще и дешевле защитить от радиации, чем весь шаттл.

Сохранение психического здоровья экипажа

Полет в космос — тяжелое испытание для человеческой психики. Во-первых, члены экипажа долгое время находятся друг с другом в ограниченном пространстве, вдали от семьи и друзей. Главные психологические факторы, по которым отбирают космонавтов, — высокая терпимость к окружающим, неконфликтность и умение работать в коллективе. Но в течение полета взаимоотношения между членами экипажа все равно могут ухудшаться, что влияет на успех программы.

Во-вторых, у астронавтов нарушаются циркадные ритмы, которые регулируют периоды отдыха и активности. Но когда космонавты кружат по орбите, «закаты» или «восходы» Солнца происходят каждые 45 минут, поэтому суточный цикл не делится на день и ночь, как на Земле. Из-за этого организм не понимает, когда нужно спать, а когда бодрствовать, может возникать чувство постоянной усталости и раздражительность. Если космонавты будут находиться в состоянии гибернации, негативных последствий для их психики, связанных с длительной изоляцией и нарушением сна, удастся избежать.

Как ученые пытаются вызвать искусственную гибернацию

Проект «Технологии искусственного гипобиоза»

«Технологии искусственного гипобиоза» — совместный проект Фонда перспективных исследований и Института биофизики клетки РАН. Целью исследований было создать препарат, который погружал бы человека в искусственную спячку.

Проект завершился в 2018 году: ученые разработали сложную фармацевтическую композицию, включающую также инертный газ ксенон. Препарат тестировали на кроликах и крысах, у которых после укола на 7℃ понижалась температура и на 70% замедлялся метаболизм. Через 10–15 часов животные возвращались к нормальному состоянию.

По словам заведующего лабораторией механизмов природных гипометаболических состояний ИБК РАН, кандидата биологических наук Надежды Захаровой, с помощью инъекций удавалось поддерживать крыс в гибернации на протяжении семи суток. После того как препарат пройдет доклинические испытания на токсичность, начнется разработка технологии для людей. Но одним из препятствий для широкого применения может стать высокая цена ксенона: объем газа, необходимый для поддержания анестезии человека в течение двух часов, стоит порядка $300.

Эксперимент с сероводородом

В 2005 году ученые из Онкологического исследовательского центра в Сиэтле обнаружили, что сероводород вызывает состояние гибернации у мышей, в естественных условиях не впадающих в спячку. Когда животные поглощали газ, их метаболизм постепенно замедлялся на 90%. Также после этого они могли провести около семи часов, дыша воздухом с содержанием кислорода 3–5%, — обычно в таких условиях мыши умирают через 20 минут. Нормальная концентрация кислорода в атмосфере — 20%.

Эксперимент попытались повторить на овцах, но выяснилось, что крупных животных погрузить в спячку с помощью сероводорода невозможно. Маленькие дозы на них не действуют, а большие слишком токсичны и приводят к смерти.

Активация определенных нейронов

В 2020 году две группы ученых — из Гарвардской медицинской школы и Цукубского университета — независимо друг от друга обнаружили у мышей нейроны, регулирующие состояние гибернации. Исследователи воздействовали на определенную часть мозга животных с помощью химических веществ. После стимуляции нейронов температура тела у мышей снижалась, метаболизм замедлялся.

Как объяснили результат ученые, даже у млекопитающих, не впадающих в сезонную спячку, есть защитный механизм гибернации. Он активируется при недостатке калорий — главном признаке неблагоприятных условий. Было показано, что стимуляция определенных нейронов погружает мышей в гибернацию даже при достаточном количестве пищи. На людях похожие эксперименты пока не проводили, но ученые считают, что это открытие станет основой для будущих исследований.

Снижение температуры

В спячке температура тела животных снижается, поэтому возможно, что так же получится вызвать гибернацию у человека. Краткосрочную искусственную гипотермию (снижение температуры) уже сейчас применяют в медицине, например во время реанимации при остановке сердца.

Через катетер в вену вводят охлаждающий раствор, который циркулирует в организме и замедляет метаболизм. Это позволяет отложить наступление необратимых повреждений мозга, вызванных нехваткой кислорода. У врачей появляется больше времени на реанимацию. Главная проблема при гипотермии — купировать нарушение функций различных органов, вызванное избыточным переохлаждением.

Технические аспекты

Ученые из университета в Мюнхене, Европейское космическое агентство (ESA) и аэрокосмическая инженерная компания SpaceWorks независимо друг от друга представили проекты того, как будет выглядеть полет в космос, если погрузить космонавтов в гибернацию. В концептах описывается устройство капсулы для сна, системы жизнеобеспечения и другие технические аспекты.

Капсула для сна. Ученые из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана предлагают разработать специальные контейнеры, в которых космонавты будут находиться во время гибернации. В капсулах с мягкой оболочкой будут поддерживаться оптимальные условия для спячки: приглушенное освещение, температура ниже 10℃, высокая влажность. Для контроля за состоянием здоровья каждого космонавта понадобятся датчики. Аналогичный проект с одиночными капсулами разработало Европейское космическое агентство.

SpaceWorks предлагает другой подход: вместо одиночных капсул поместить членов экипажа в общую цилиндрическую камеру. Она должна будет вращаться, создавая искусственную гравитацию для поддержания тонуса опорно-двигательного аппарата и сосудов.

Система жизнеобеспечения. SpaceWorks предлагает разработать систему капельниц, которая будет поставлять астронавтам питательные вещества внутривенно. Европейское космическое агентство, наоборот, считает, что в гибернации люди смогут выживать, как животные, впадающие в естественную спячку, — получать углеводы и белки из накопленной жировой ткани.

Периодические пробуждения. Согласно всем трем концептам, каждый космонавт будет проводить в гибернации не больше определенного промежутка времени за один раз. Пробуждения понадобятся главным образом для того, чтобы проверить здоровье и по необходимости подлечиться. Во время бодрствования члены экипажа также смогут разнообразить питание, при наличии связи пообщаться с близкими.

Дежурные. Возможно, космонавты будут просыпаться по очереди, чтобы всегда бодрствовали 1–2 человека. Они наблюдали бы за состоянием остальных, проверяли точность маршрута и состояние корабля, вели отчеты и связывались с Землей. Но допускается, что эту роль сможет выполнять искусственный интеллект.

Критика идеи о гибернации человека

Некоторые ученые считают, что погрузить человека в состояние, похожее на спячку, получится только на короткое время — например, для операции. Нейробиолог Крейг Хеллер из Стэнфордского университета утверждает, что длительная гибернация космонавтов невозможна. Во время полета астронавты активно занимаются спортом, но их мышцы все равно теряют массу — по словам ученого, несколько месяцев во сне без движения просто разрушат организм.

Также Хеллер считает, что, в отличие от животных, человек не способен приспособиться к снижению температуры и замедлению метаболизма. Большинство ферментов и биохимических соединений работают в теплой среде, и без них организм не сможет функционировать.