За последние несколько десятилетий человечество добилось значительного прогресса в освоении космоса. Однако полеты к планетам, находящимся за пределами Солнечной системы, еще остаются в области теории и долгосрочного планирования. Такие дальние путешествия сопряжены с рядом трудностей. Одна из них — расстояние. Астронавтам предстоит провести в космосе не один месяц или даже годы в условиях высокой радиации, микрогравитации, ограниченного пространства и ресурсов, психологического напряжения. Решением могла бы стать гибернация.
От фантазий футурологов до реализации
Гибернация, или гипобиоз, — физиологическое состояние глубокого сна, характеризующееся значительным снижением метаболизма, температуры тела и других жизненных функций организма. Этот механизм позволяет некоторым животным переживать неблагоприятные условия — от холода до недостатка пищи. Во время гибернации звери могут находиться в состоянии покоя в течение длительного времени. При этом их организм замедляет все процессы, что позволяет сохранить жизненные ресурсы.
Гибернация отличается от привычного нам сна. Мозг в состоянии спячки почти не производит электромагнитной активности. Даже клетки, из которых состоит тело животного, прекращают свою обычную деятельность по переработке или созданию питательных веществ. По сути, спячка ставит на паузу жизнь организма без последствий для здоровья.
Тема гибернации часто появляется в научно-фантастических фильмах. В комедии «Идиократия» (2005) главный герой Джо Бауэрс становится участником секретной программы Пентагона по гибернации людей. В искусственном сне он проводит 500 лет, а проснувшись, понимает, что мир вокруг сильно изменился. В другой киноленте «Пассажиры» (2016) космический корабль «Авалон» отправился на планету под названием «Обитель II». На борту звездолета находятся 5 тыс. пассажиров и 258 членов экипажа. По прогнозам, корабль должен оказаться в точке назначения через 120 лет, поэтому всех людей ввели в состояние гибернации.
Введение человека в состояние глубокого сна уже давно перешло из категории фантазий футурологов в реальную идею. NASA и Европейское космическое агентство (ЕКА) финансируют исследования в области гибернации уже несколько десятилетий, а сама идея появилась в 1960-х.
В поисках ответов: животный пример
Эксперты ЕКА высказали предположение, что первые исследования этого физиологического состояния с участием людей могут начаться уже в 2030-х. Сейчас исследователи активно изучают некоторых млекопитающих. Именно они могут помочь разобраться в процессе гибернации.
У разных видов животных гибернация проявляются по-разному. Например, зимой в спячку отправляются не только бурые медведи и еноты, но и арктические земляные белки. В холодное время года температура их тела снижается до минус 2°C, а сердце бьется раз в 15 секунд. С приходом тепла они начинают постепенно просыпаться. Пробуждение происходит не сразу. «Сначала они дышат чуть быстрее, а потом учащается сердцебиение. Затем температура тела повышается до 10–20°C. При такой температуре у белок появляется дрожь. Дрожь — один из видов термогенеза», — рассказал зоолог Университета Аляски Брайан Барнс в интервью изданию Science News Explores.
Арктические земляные белки готовятся к спячке заранее. Все лето они питаются так, что даже удваиваются в размерах. К осени в мозге белок начинает выделяться химическое вещество. Но какое именно, ученые пока сказать не могут. Это вещество, вероятно, воздействует на аденозин. Аденозин — молекула, играющая важную роль в разного рода биологических процессах. Молекула влияет на сон, бдительность, а также на сердечно-сосудистую деятельность. Осенью арктические белки впадают в спячку. Большинство функций организма отключается: кровоток и метаболизм снижаются на 90%. Из своих нор зверьки выходят только в апреле.
В белках ученых интересует не только умение «отключать» организм на время. Но еще и тот факт, что во время сна они периодически двигаются. И происходит это по графику: раз в 14–21 день. Во время такого осознанного пробуждения белки согреваются и восстанавливают работу мозга, а после этого вновь впадают в спячку.
Путешествие вглубь космоса
Если исследователям удастся создать механизм по погружению человека в искусственную спячку, это откроет новые возможности для длительных полетов в глубины космоса. Согласно расчетам профессора физики Крейга Паттена из Калифорнийского университета в Сан-Диего, путь до Марса, к примеру, займет около девяти месяцев в период оппозиции этой планеты (когда Земля догоняет Марс и планеты выстраиваются в одну линию, что происходит каждые 26 месяцев). Гибернация во время такого длительного путешествия решит многие проблемы:
- Длительный сон позволит сэкономить денежные средства и ресурсы. Космонавтам не нужно будет есть и пить, да и кислорода понадобится меньше.
- Искусственная спячка защитит тела астронавтов от истощения в условиях микрогравитации. Сейчас участники миссий теряют около 20% мышечной массы за месяц, находясь в космосе. И это при условии, что на Международной космической станции (МКС) астронавты соблюдают специальный режим тренировок, чтобы поддерживать функциональность своего тела. Возвращаясь на Землю, они сразу попадают под наблюдение медицинского персонала.
- В некоторых исследованиях отмечается, что клетки организма, находящегося в спячке, показывают устойчивость к радиации. Например, уровень радиозащиты печени крыс, введенных в искусственную спячку, увеличился через четыре часа после рентгеновского облучения.
Микрогравитация влияет на организм человека так же, как и длительный постельный режим. Однако во время искусственной спячки эффект будет несколько иным. В отличие от пациентов, которые восстанавливаются после болезни или медицинской комы, животные после спячки не выглядят ослабленными. «Когда звери просыпаются, они в течение нескольких секунд вспоминают, где спрятали еду, и не испытывают значительной потери мышечной массы, что удивительно после нескольких месяцев сна», — объясняют в ЕКА.
Чтобы быть полезной в космических полетах, гибернация должна работать без сложных медицинский аппаратов. Поэтому ученые ЕКА предлагают инженерам создать мягкие капсулы с низким освещением, температурой менее 10°C и высокой влажностью внутри. К телу астронавтов присоединят специальные датчики, которые будут измерять их температуру и частоту сердечных сокращений. Каждая капсула должна быть окружена контейнерами с водой — они станут барьером от проникающих гамма-лучей и рентгеновского излучения.
Следить за состоянием экипажа будет искусственный интеллект. «Помимо контроля энергопотребления бортовые компьютеры будут поддерживать оптимальную производительность космического корабля, до тех пор пока экипаж не будет разбужен», — говорит профессор медицины Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене Александер Шукер.
Перспективы с ограничениями
Мнения ученых о перспективах развития технологии разнятся. Биолог американского стартапа Fauna Bio Кэтрин Грабек уверена, что вполне возможно ввести человека в состояние глубокого сна с помощью лекарств. Компания уже много лет изучает животных для создания необходимых препаратов.
По словам Грабек, во время спячки у животных «включаются и выключаются» определенные гены — одни контролируют процесс сжигания глюкозы и жиров в организме, а другие участвуют в поддержании мышц в здоровом состоянии. У человека такие гены тоже есть, но используются для других целей. Если научиться управлять ими с помощью препаратов, можно отправить человека в искусственную спячку, не охлаждая при этом тело до экстремальных температур, уверена биолог.
Первые шаги в разработке таких препаратов уже сделаны. В России Фонд перспективных исследований и Институт биофизики клетки РАН в 2018 году завершили проект под названием «Технологии искусственного гипобиоза». Во время него ученым удалось создать фармацевтическую композицию, которая включала в себя инертный газ ксенон. После укола таким препаратом у кроликов и крыс температура тела понижалась на 7°C, а метаболизм замедлялся на 70%. Инъекции позволяли поддерживать крыс в гибернации на протяжении семи суток.
Генеральный директор компании SpiceWorks Джон Брэдфорд считает, что при разработке технологии ориентироваться стоит не на всех животных. Температура тела некоторых из них во время спячки опускается ниже нуля. Человек таких перепадов не выдержит. Заморозка опасна для человека и может привести к повреждению органов из-за образования кристаллов льда на клетках, пояснила криобиолог Шеннон Тессье из Гарвардской медицинской школы в Бостоне.
Свойства крови тоже меняются во время сильного охлаждения. Немецкие ученые проанализировали сотни тысяч эритроцитов в составе крови у летучих мышей, впадающих (Nyctalus noctula) и не впадающих (Rousettus aegyptiacus) в спячку, а также образцы, полученные от людей. Они хотели выяснить, как красные кровяные тельца функционируют при уменьшении температуры. В итоге обнаружилось, что при снижении с 37 до 22°C у всех трех видов произошла трансформация эритроцитов: они стали более вязкими и менее эластичными. При понижении температуры до 10°C эритроциты летучих мышей продолжали трансформацию, а красные кровяные тельца людей перестали это делать.
Идеальный вариант для человека — спячка бурых медведей. Их нормальная температура тела составляет 37,7–38,3°C, а во время спячки не превышает 31°C. Метаболизм в это время замедляется на 75%. Как и медведям, астронавтам нужно будет набрать жир, перед тем как уснуть, добавил Александер Шукер. Он также отметил, что более низкий уровень тестостерона, по-видимому, способствует длительной спячке у млекопитающих. А эстрогены — группа женских половых стероидных гормонов, — наоборот, сильно влияют на метаболизм человека. «Очень специфический баланс женских и мужских гормонов и их роль в регулировании метаболизма свидетельствуют о том, что женщины могут стать более предпочтительными кандидатами для испытаний по введению в состояние гибернации», — добавил он.
Хотя большинство современных исследований по гибернации финансируются космическими агентствами, медицинский сектор не менее заинтересован в совершенствовании технологии. Искусственно вызванная спячка, например, способна защитить пациентов во время сердечных приступов и инсультов. «Таких пациентов можно будет вводить в медикаментозную спячку, чтобы замедлить их метаболизм до транспортировки в больницу», — заявили в NASA.
Первым человеком, которого введут в состояние гибернации, скорее всего, станет пациент реанимации, предположили эксперты. Как только это произойдет, технология начнет развиваться и продвигаться намного интенсивнее.
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.