Най-сигурният начин за изминаване на дълги разстояния в космоса може да бъде изкуствената хибернация.
Някой ден астронавтите, натъпкани като цаца в кутии от ракети и летящи до други планети, ще бъдат защитени от радиация и космическа болест от намаляване на скоростта на метаболизма в тялото. Те ще зимуват в продължение на месеци като мечки, а космическите кораби ще ги пренасят в пространството и времето. Вероятно ще спят в бели пашкули, подобни на ковчези, които режисьорите на футуристична научна фантастика ни показват във филми като 2001: A Space Odyssey, Alien и Avatar.
Но астронавтите и космическите колонисти вероятно ще научат нещо или две от дехидратирани охлюви, които могат да оцелеят повече от година, без да ядат нищо. Или в гигантски панди, които се хранят с нискокалоричен бамбук. А също и на пиявици, които могат да оцелеят в течния азот; при деца, които паднаха в ледена вода и след това реанимирани; при скиорите, погребани в лавина, но след това бавно се връщат към живота от безсънно състояние на хипотермия.
Учените наричат това явление „замаяна хибернация“. Някога подобно издирване, или торпорт, се смяташе за нещо странно и чуждо и се наричаше „нечувствителност на функциите“. Сега тя се изучава сериозно, надявайки се да се възползва от дългосрочните космически полети.
Този интерес отчасти се дължи на напредъка в криогенната хирургия, както и на новите знания, придобити на практика. Един такъв случай е докладван през 1995 г. в списанието Prehospital and Disaster Medicine. Четиригодишно момче падна през лед в студена вода на езеро в Хановер, Германия. Спасителите го извадиха от водата, но не успяха да го докарат на място. Учениците на момчето се разшириха и сърцето му спря за цели 88 минути. Когато жертвата е била откарана в болницата, телесната му температура е била 20 градуса, което е индикация за изключителна хипотермия.
След 20 минути, когато лекарите започнаха да затоплят гръдната кухина на момчето, сърдечните му вентрикули започнаха да се свиват. След още десет минути синусовият ритъм се върна към нормалното. След две седмици момчето се възстановява напълно и е изписано от болницата. Лекарите заключават, че леденостудената вода бързо охлажда тялото му до състояние на метаболитен ступор (торпор), запазвайки всички жизненоважни органи и тъкани и в същото време намалявайки нуждата от кислород за кръвообращението. Всъщност студът му спаси живота. „Този тип случаи ни карат да мислим, че много дълбоката хипотермия може да позволи на нашите пациенти да оцелеят“, пише в имейл Самуел Тишърман, професор по хирургия в Университета на Мериленд. - Основното нещо е да охладите мозъка или докато кръвотокът спре,или веднага след спиране. Колкото по-ниска е температурата, толкова по-добре мозъкът ще се справи с липсата на приток на кръв."
Терапевтичната хипотермия е твърдо установена в хирургическата практика. Хладилните експерименти започват през 60-те години, главно с новородени и тези със сърдечно-съдови заболявания. Новородените бяха увити в охлаждащи одеяла, поставени в лед и дори в капки, за да забавят кръвообращението и да намалят нуждите от кислород преди операцията на сърцето.
Днес лекарите използват лека хипотермия (приблизително 31 градуса) за лечение на определени новородени в тежки случаи, като преждевременно раждане или хипоксия на плода. Децата се лекуват в охлаждащи капсули в продължение на 72 часа, като понижават метаболизма им до такава степен, че нуждите на тъканите от кислород са изпълнени, докато мозъкът и другите жизненоважни органи се възстановяват.
Промоционално видео:
По същия начин, хирурзите използват охлаждане и метаболитно потискане за лечение на пациенти, страдащи от физически наранявания и наранявания, като инфаркт, инсулт, огнестрелни рани, обилно кървене и наранявания на главата, които причиняват мозъчен оток. В спешни случаи анестезиологът може да постави тънка катетърна тръба в носа на пациента, която доставя охлаждащ азот директно до основата на мозъка. В един експеримент за лечение, хирурзите вкарват машинен катетър сърце-бял дроб през гръдния кош в аортата или през слабините в бедрената артерия. Тези епруветки се използват за доставяне на студен физиологичен разтвор за намаляване на телесната температура и замяна на загубената кръв. Когато травматологът спре кървенето, сърдечно-белодробната машина започва отново притока на кръв и пациентът получава кръвопреливане.
„Ако приложите настинката достатъчно бързо, преди сърцето да спре, тогава жизнените органи и в частност мозъкът ще могат да издържат настинката без кръв за известно време“, обяснява Тишърман. Той провежда клинични изпитвания със студен физиологичен разтвор в клиника в Балтимор, опитвайки се да помогне на критично увредени пациенти. Тишърман се надява да продължи изследванията си поне до есента на 2018 г., а може и по-дълго.
Получената хипотермия бързо забавя или спира кръвообращението за около час. Съответно, нуждата от кислород намалява и хирурзите имат време да лекуват животозастрашаващи рани, след което могат да затоплят пациента и да го върнат към живот.
Torpor гатанка
Днес мнозина от аерокосмическата общност полагат своите надежди за медицински генерирана хипотермия и произтичащото от това забавяне на метаболизма като начин за спестяване на пространство, тегло, товари, гориво, храна и депресия по време на дълги полети до Марс или по-далечни планети. Изследванията в тази посока едва започват. Един от проблемите е чисто медицински. Какъв е най-добрият начин да поставите здрави астронавти в хибернация? Известно е за терапевтичната хипотермия в операционната зала, но как да поддържаме хората в космическото пространство прохладни и зимуващи в продължение на седмици, месеци и дори години? Това е напълно неизследвана област. Някои учени, които изучават зимен сън при животни, казват, че други методи за потискане на метаболизма са по-добри. Това е специална диетанискочестотна радиация и дори използването на протеини, които предизвикват хибернация при животни като мечки и бериндски земни катерици, тъй като те безопасно регулират скоростта на метаболизма с възможност за излизане от торпора.
Друг очевиден проблем е финансирането. Колко пари ще отпусне НАСА за изследване на забавянето на метаболизма при животни и хора, ако агенцията намали бюджета дори за космически полети? Бившият директор на изследователския център на Еймс в Калифорния Пит Уърдън, понастоящем изпълнителен директор на проекта Breakthrough Starshot, казва, че тъй като НАСА поставя голям акцент върху синтетичната биология и оцеляването и функционирането на организмите в необичайна среда като Марс, „какво е хибернацията ще бъде финансирана, това е почти неизбежно."
Този оптимизъм не се споделя от всички. „Хората са разочаровани“, казва Юри Грико, обучен от НАСА радиобиолог и водещ изследовател в отдела за космическа биология на центъра на Еймс. - Когато спътник излетя в космоса през 1957 г., моето поколение се зарадва и се зарадва. Вярвахме, че ще летим до Марс още през 20-ти век. Но … това е 21-ви век и ние никога не летяхме до Марс. Хората като мен имат чувство за лично негодувание, тъй като очаквахме да отидем много по-далеч, отколкото сме сега “.
Грико признава, че изследванията за понижаване на метаболизма в момента са в крайници. Той идва на работа в НАСА през 2005 г., а преди това работи пет години в биотехнологичната фирма Clearant, Inc., където използва йонизиращо лъчение, за да блокира активността на патогени в медицински кръвни продукти, в органи за трансплантация и в биологични продукти. Тогава космическата агенция покани Грико да проведе изследвания за защита на астронавтите от космическа радиация. Оказа се, че забавянето на метаболизма е един от най-ефективните механизми, дадени ни от природата.
Когато животните преминават в хибернация, тялото им носи радиация без значителна вреда за клетките. Грико вярва, че намаляването на метаболизма води до намаляване на щетите от радиацията, тъй като биохимичните процеси се забавят, а оксидативният стрес отслабва. Хипоксията или ниските нива на кислород в кръвта и тъканите са едно от възможното обяснение за радиационния защитен ефект. С хипоксията се намалява образуването на свободни кислородни и хидроксилни радикали. Тъй като йонизиращото лъчение освобождава свободните радикали, причинявайки увреждане на клетките, забавя метаболизма и намалява консумацията на кислород работи в обратна посока. Тези процеси пречат на смъртта на нормалните клетки и удължават живота на здравите клетки. Този защитен ефект е много по-изразен при по-ниски температури.
Грико вярва, че зимен сън може да защити и животните от мускулна и костна атрофия, която обикновено се проявява при нулева гравитация. Според него нормално хранещ се човек, след като прекара 90 дни в леглото, губи повече от половината от мускулната си сила. Но мечка, която не яде нищо и спи в деня си за около същото време или малко по-дълго, губи само 25% от мускулната си сила и не показва признаци на загуба на кост. Ученият отбелязва, че зимуващите животни като костенурки и сумчар не са изпращани в космоса от десетилетия.
НАСА отхвърли искането си за финансиране на космически експерименти с хибернаторни животни. Днес научната работа на Грико се ограничава до анализиране на изследванията за зимен сън и той също така провежда собствени лабораторни изследвания, изучавайки застоя при мишки, охлюви и пиявици. Ученият предложи да се организира международна конференция за торпора през 2015 г., като се поканят водещи световни експерти и се обсъди въпросът как може да се намери хибернация в космоса. НАСА отказа да го финансира, но Грико все още се надява да събере необходимите пари.
„Съществуват значителни пречки за изучаването на топорите, въпреки че без това не можем сериозно да говорим за космически полети на дълги разстояния“, казва бившият астронавт на НАСА и командирът на екипажа на МКС Лерой Чиао, който прекара 193 дни в орбита от октомври 2004 г. до април 2005 г. на годината. Изследванията върху животни са особено предизвикателна тема, защото НАСА критикува привържениците на животните в миналото. „Дори изследванията върху примати се разглеждат враждебно от хората“, отбелязва Чиао.
Решението е в две планети
Програмният ръководител на програмата на НАСА Иновативните разширени концепции (NIAC) Джейсън Дерлет вижда причина за надежда. Под негово ръководство програмата отпуска два гранта за иновации от 2013 г., като подкрепя подробните планове на една компания за създаване на междинно лабораторно жилище на Марс, използвайки техники за изкуствена хибернация. Водещата компания за този проект, SpaceWorks Enterprises, е дизайнер и изпълнител на аерокосмическо пространство за НАСА и Министерството на отбраната. Намира се в Дънвуди, Джорджия, на 30 километра от Атланта. Компанията участва в създаването на формата CubeSat за малки изкуствени земни спътници. Но именно торпорът привлече специално внимание на президента и главния инженер на тази компания Джон Брадфорд (John Bradford).
„Питам се от 15 години за това как да проектирам материалите, конструкциите и задвижващите системи, които ще ни позволят да летим до Марс и неговите спътници“, казва Брадфорд. Той е доктор и аерокосмически инженер. Брадфорд ръководи няколко проекта на НАСА, Агенцията за напреднали научни проекти в областта на отбраната и Изследователската лаборатория на ВВС за изграждане на военни космически самолети. Той беше и консултант на научнофантастичния филм „Пътници“, който излезе през 2016 г. Там междупланетни заселници, играни от Дженифър Лорънс и Крис Прат, се събуждат от изкуствен сън преди време. „Вече не снимаме мисията на Аполон“, обяснява Брадфорд. - Без знамена и отпечатъци. Трябва да се превърнем в двупланетен вид."
Екипът по медицински инженеринг на Брадфорд използва първата грант за иновативни разширени концепции през 2013 г., за да проектира компактен жив модул с нулева гравитация от твърди структури, базиран на модула за обитаване на МКС. В тази космическа къща беше осигурена система със затворен цикъл за производство на кислород и вода, директен достъп до излитащия и кацащ модул за кацане на Марс, както и комплекс за поддържане на живота за шестима души, които трябваше да се потопят в състояние на торпор за цялото време на полета (от шест до Девет месеца).
Предлаганата техника за изкуствена хибернация се основава на техниките, използвани от хирурзите за предизвикване на хипотермия при пациент. Например охлаждащият газов азот може да бъде доставен на астронавта през носна тръба, като понижава температурата на мозъка и тялото до 31 градуса. Това е достатъчно за поддържане на зимен сън, но в същото време сърцето не се преохлажда и няма риск от други усложнения. С охлаждането намалява съсирването на кръвта, отбелязва Тишърман. Той също така забеляза, че пациентите, които са изложени на умерена хипотермия (33 градуса) в продължение на два или повече дни, са по-склонни да имат инфекции, отколкото хората без хладилник.
В космическия дом на SpaceWorks Enterprises модулирани механични манипулатори са програмирани да вършат задачи, да упражняват крайниците на астронавтите, да проверяват сензорите на тялото, да изпразват контейнери с урина и да наблюдават доставката на хранителни вещества. Роботите трябва да изпращат електрически импулси към мускулите на астронавтите, поддържайки ги в добра форма, а също и да инжектират успокоителни средства за потискане на естествения тремор. Астронавтите също трябва да получават пълноценно парентерално хранене с вещества като електролит, D-глюкоза, липиди, витамини и т.н. Те се доставят в тялото с течност чрез катетър, който се вкарва в гърдите или бедрото. В експерименталния модул бяха създадени запаси от общо парентерално хранене за 180 дни. Но ако полетът до Марс продължи по-дълго,модулът може да създаде доставка на храна за още 500 дни.
Като цяло SpaceWork успя да намали общото тегло на компактното местообитание до 19,9 тона, включително консумативи и консумативи (ниско тегло на земната орбита). За сравнение, жилищният блок на НАСА TransHab, заедно с доставките и консумативите, тежи 41,9 тона. Това е с 52% повече от SpaceWork. В сравнение с модула SpaceWork на НАСА, общото тегло на инвентара е намалено с 70%.
Управлението на програмата NIAC беше заинтригувано. „SpaceWorks направи интересно предложение“, казва Derlet. „Хората са учили хибернация за медицински цели. Но доколкото знаем, в момента никой не провежда конструктивно проучване за използването на хипотермия или торпор в космическите полети."
През 2013 г. ръководството на NIAC предостави на SpaceWorks първата част от безвъзмездна помощ от 100 000 долара за разработване на примерна платформа за изкуствено спящи изследователски полети до Марс и неговите спътници. Екипажът трябваше да включва четири до осем души. Космическата агенция обаче се противопостави на предложението всички членове на екипажа да бъдат поставени в изкуствен сън през цялото времетраене на полета. Ами ако ще има медицински усложнения или неизправности в космическия кораб? Колко време ще отнеме, докато астронавтите не започнат да търпят психологически и физически щети? Ами ако усложненията на борда изискват те да се събудят рано? А какво ще кажете за постепенното и бавно събуждане и затопляне на тялото, докато събуждате астронавта от зимен сън?
Тези въпроси тласнаха екипа на SpaceWorks отново към работа. Те проектираха отделение, за да може екипажът да остане в състояние на изкуствен сън, при условие че няколко астронавта ще се въртят будни, за да пилотират кораба и да извършат необходимата работа (както в „Космическа одисея“, където двама членове на екипажа по пътя за Юпитер бяха будни, докато докато останалите бяха в изкуствена хибернация).
Екипът на Брадфорд отиде по-далеч. Като проектира три взаимосвързани живи единици за 100 разселени пътници (за да насели Марс), тя създаде космически кораб с жилищно отделение, което е напълно различно от всичко, което НАСА беше планирала. Разместеният отсек SpaceWorks съдържа две компактни въртящи се корпусни единици, всяка от които съдържа 48 пътници с торпор. Въртенето с различна скорост създава изкуствена гравитационна сила, която предотвратява загубата на кост.
Но екипът на Брадфорд имаше друго, по-дръзко предложение. В отделен модул за живеене тя реши да настани дежурни четирима астронавти, които трябва да обслужват кораба и екипажа през целия полет. Докато един спи, три работят, като по този начин поддържат силата си.
Полет до Марс от SpaceX
„Въртенето на спящия екипаж и събуждането на някои астронавти за гледане е по-полезно от това всички астронавти да презимуват в продължение на половин година“, подчертава Брадфорд. Космически кораб със заселници в състояние на торпор ще бъде по-лек, което значително ще увеличи скоростта му, ще намали времето за полет и евентуално ще осигури и по-надеждна защита от радиация поради забавяне на метаболизма. Освен това, казва Брадфорд, спящите астронавти няма да изпитат болест при движение, което е често срещан проблем за жителите на МКС.
Хибернация на мечката
Но какво ще бъде усещането за торпор в космическото пространство? Не, тук не става въпрос за замразяване до смърт в криогенно отделение и след това съживяване, казва акушер-гинекологът и консултантът на SpaceWorks Дъг Тълк, който използва терапевтична хипотермия за лечение на деца, лишени от кислород. „Криогениката има нулев успех тук“, обяснява той. - човешкото тяло не е предназначено да бъде замразено; тя се състои главно от вода и когато водата се увеличава в обем [това се случва, когато замръзне], това води до унищожаване на клетките."
По-скоро астронавтите ще зимуват като кома. Това е кръстоска между безсънния сън и полусъзнателното състояние. „Пациентите в кома имат цикли на мозъчна активност от привидно будност до дълбок сън без мечти“, обяснява Ток. Въпреки че пациентите в кома не са в състояние да се движат, мозъкът им остава активен и дори реагира на външни стимули, включително словесни команди.
Зимуващите мечки изпитват нещо подобно. Тяхната телесна температура пада само с няколко градуса (както при умерена хипотермия при хората), а метаболизмът им се намалява със 75%. Мечките в северен климат могат да зимуват от седем до осем месеца, без да ядат или пият нищо; а бременните женски раждат потомство и ги хранят дори в хибернация.
„Хората в торпор ще се държат като мечки“, предполага Ток. „Те ще имат цикли от будност до дълбок безсънен сън. И като мечките, когато се събудят, ще покажат признаци на лишаване от сън."
През май 2016 г. ръководството на NIAC одобри втората фаза на проекта SpaceWorks, като този път му осигури 250 000 долара за продължаване на инженерни изследвания, както и оперативни и медицински изследвания. „Проектите от фаза 1 доказаха, че нашето виждане е истинско“, казва Дерлет. "Радваме се, че д-р Брадфорд постига напредък."
Екипът на SpaceWorks предложи някои подобрения в дизайна на живия модул, както и експеримент с изкуствен сън за период от две до три седмици с няколко здрави прасета. Прасетата, подобно на хората, не презимуват в естествената си среда и следователно физиологичната им реакция на изкуствен сън ще помогне по-добре на хората да разберат какво да очакват от торпора, отколкото експериментите с мишки и охлюви. Според Дерлет, правилата на НАСА забраняват финансирането на изследвания на прасета.
Затова SpaceWorks излезе с алтернативно предложение: за цялостно проучване на вече проведени и текущи експерименти за потискане на метаболизма, за да създаде на тази основа програма за действие за близко бъдеще, за да се разработят необходимите технологии, които ще позволят прехода към изпитвания върху хора, включително по-систематични проучвания върху животни. Това лято предстои NIAC да извърши междинен преглед на SpaceWorks и да реши дали да отпусне или не още 250 000 долара финансиране.
„Продължаваме да вярваме в необходимостта от изследвания на живите същества, за да разработим технологии за поддръжка и да ги прилагаме в дългосрочен план“, пише основателят и изпълнителен директор на SpaceWorks Джон Олдс. „И тази стъпка може да изисква участието на частни спонсори.“
Който плаща за тази работа, ще бъде трудно да провежда експерименти върху животни, защото повдига етични въпроси.
„Мисля, че НАСА е правилно да действа бавно и постепенно“, казва Артур Каплан, директор по медицинска етика в Медицински център на университета в Ню Йорк. Въпреки че мнозина са ентусиазирани от обещанието за изкуствен сън по време на продължителни космически мисии, НАСА не се нуждае от допълнителна караница, която защитниците на животните могат да получат, каза той.
„Прасетата са доста сходни по физиология с хората, така че има смисъл да ги използвате за експерименти“, казва Каплан. "И за критиците можем да кажем това: броят на прасетата, които ще бъдат наети за този вид изследвания, ще бъде по-малък, отколкото средният американец яде за седмица за закуска."
Човешки фактор
В научнофантастичните филми и книги торпорът е идеализиран и романтизиран, казва Каплан. Те създават впечатление, че човек може лесно да влезе и да напусне това състояние, подобно на кома. Но реалността може да е различна.
Според Каплан първите експерименти ще бъдат проведени с участието на много необичайни хора - най-вероятно това ще бъдат тестови пилоти. „Тези хора рискуват живота си всеки ден; те разбират физиологичните опасности, защото тестват самолети и знаят, че много от колегите им са загинали. Астронавтите ми казаха, че са готови да участват във всеки експеримент, само за да летят в космоса. Нашата работа е да ги задържаме “, казва той.
Човешкото експериментиране ще бъде безпрецедентна стъпка. Никой никога не е използвал хипотермия, за да забави метаболизма при хора, които не са болни или ранени, още по-малко при изключително здрави астронавти.
„Имаме много здрави хора, които изразиха желание да участват в дългосрочни експерименти с изкуствен сън“, казва Ток. - Има ограничено търсене на хора, които са готови да се изключат от живота за шест месеца. Сигурен съм, че здравните власти няма да одобрят това."
Междувременно Ток е назначил двама специалисти по терапевтична хипотермия в изследователския екип на SpaceWorks: Алехандро Рабинщайн, медицинският директор на отделението за интензивно лечение по неврология в клиниката Майо, и неврологът Кели Дрю, който работи в Fairbanks в Университета в Аляска, специализиран в хибернацията. животни. Дрю, заедно с други учени от Института по арктическа биология на Университета в Аляска, изучава моделите на зимен сън на топлокръвните животни като таралежи, берингийски гофри и мечки. Те се надяват да разрешат мистерията на здравата хибернация и мозъчните сигнали, които я задействат, вярвайки, че това ще помогне на астронавтите да се адаптират без странични ефекти.
Например, в беринговата земна катерица (евражка) през зимата телесната температура пада до нула градуса. Нито един учен не знае точно какво задейства механизма на хибернация. Вярно е, че има предположение, че специален мозъчен и мускулен рецептор - А1 аденозин рецепторът - води до понижаване на телесната температура на земната катерица и го кара да спи, от което се събужда осем месеца по-късно с минимална загуба на костна и мускулна маса.
„Аденозинът е невромодулатор, който играе роля за стимулиране на съня и намаляване на възбудимостта на мозъка“, казва Дрю. "Той е повсеместен в мозъка на животните." Тя инжектира в зимен сън с лекарство, което стимулира техните А1 аденозинови рецептори. Дрю също може да събуди гофри, като използва друго лекарство, което блокира тези рецептори.
Но сигналната каскада и наборът от гени при хората са много по-сложни и много трудни за дешифриране. Сложната задача е, че зимуващите животни спят по различни начини.
Единственият примат, който зимува, е мадагаскарският пигмиен лемур, който прекарва осем месеца в годината в торпор, предимно в горещо време. Живее от мастни натрупвания в опашката. Намаляването на метаболизма при това животно не изисква намаляване на телесната температура.
Междувременно Рабинщайн, който планира да проведе лек анализ на хипотермия, за да предизвика предизвикване на топор, казва, че техниките, използвани в интензивната грижа в космоса, може да не са толкова надеждни.
„Фактът, че малките деца се„ давят “в ледена вода и след това се съзнават, е забележителен и ни дава надежда“, казва той. - Но можем ли да приложим познанията си [за дълбока хипотермия], за да създадем по-лека хипотермия, така че хората да останат в това състояние много по-дълго без вредни последици, без психологически и физиологичен стрес? Остава да видим, но смятаме, че има шанс “.
Ариел Емет