Учёные пытаются воссоздать биологические механизмы, позволяющие животным выживать месяцами без пищи и воды, в надежде сделать возможными полёты в дальний космос
Длительные космические полёты вредны для здоровья. Очень вредны. Нахождение в космосе подвергает человека опасно высоким уровням радиации; длительное пребывание в условиях микрогравитации может повредить целый ряд систем органов, включая мышцы, кости и глаза. Проживание в течение месяцев или лет в тесных условиях может иметь серьёзные психологические последствия.
Ключом к решению этих проблем может стать физиологическая стратегия, существующая уже 250 миллионов лет, которая позволяет некоторым млекопитающим, птицам, рыбам и другим животным выживать в условиях крайнего дефицита ресурсов, по сути «отключаясь»: это гибернация. Во время гибернации животные почти полностью отключают свои физиологические функции; они не едят, не пьют и не двигаются, и, что не менее важно, не испытывают голода или жажды и, по-видимому, не страдают от холода. Эта удивительная способность может оказаться решающей для того, чтобы помочь людям добраться до Марса и дальше — а также может помочь спасти жизни на Земле.
Оказывается, гибернация может защитить от многих опасностей, связанных с длительными космическими полётами, включая радиационное облучение и потерю костной и мышечной массы. Более того, перевод путешественников в длительное бессознательное состояние мог бы помочь снизить негативные последствия многомесячного или многолетнего пребывания в замкнутом пространстве. Гибернация также могла бы значительно сократить количество продовольствия и воды, необходимого для полёта, что уменьшило бы полезную нагрузку и позволило бы космонавтам добраться до места назначения — и вернуться обратно — за меньшее время.
Проблема, конечно, заключается в том, что люди не впадают в спячку. В отличие от некоторых белок, медведей, летучих мышей и многих других видов, мы не эволюционировали так, чтобы радикально снижать свой метаболизм в условиях дефицита ресурсов. Чтобы преодолеть эту проблему, растущая группа учёных по всему миру работает над разработкой методов, способных безопасно вызывать гибернацию у людей.
Эти исследователи, некоторые из которых получают финансирование от Европейского космического агентства (ЕКА) и НАСА, выясняют, как животные, впадающие в спячку, «выключают» себя — а затем снова «включают» — без каких-либо негативных последствий от многомесячного отсутствия пищи, воды и физической активности.
«Это очень многообещающая область», — говорит Кристиане Хан, курирующая исследования в области космической биологии в ЕКА. «Она может кардинально изменить будущее космических полётов».
Опасности космической радиации
Радиация представляет особую проблему для дальних космических полётов. На Земле атмосфера и магнитное поле блокируют большую часть радиоактивных частиц; в космосе же такой защиты нет. Во время длительного космического путешествия путешественники будут постоянно подвергаться бомбардировке ионами на опасном уровне. Эти частицы могут фактически задерживаться внутри космического корабля, нанося ещё больший ущерб находящимся в нём людям. «Защита людей от радиации в космосе — очень сложная задача», — говорит Хан. «Мы пока не нашли эффективного защитного экрана».
Исследования показали, что спячка защищает от этого вреда. Во время гибернации животные снижают свою метаболическую активность, потребляют меньше кислорода и плотно упаковывают свои цепи ДНК — всё это защищает от радиационного повреждения. Кроме того, животные, впадающие в гибернацию, обладают мощными механизмами репарации ДНК.
«Невероятно, на что они способны», — говорит физиолог Йельского университета Елена Грачева, которая наблюдает за большой колонией 13-полосатых сусликов (догадайтесь, почему их так назвали), обитающих на среднем западе США и Канаде. Животных содержат в гибернакулуме — специально спроектированном помещении, воссоздающем их естественную среду обитания.
«Летом эти животные похожи на нас, но зимой они начинают функционировать как совершенно иные организмы, — говорит она. — Частота их сердечных сокращений снижается до одного удара каждые несколько минут, а температура тела опускается до 4 °C — это температура в холодильнике. И, тем не менее, они остаются живыми».
Грачева изучает, как животные могут обходиться без воды до восьми месяцев — во время спячки они не пьют, даже если им предложить воду. Она выявила область мозга — субфорникальный орган (SFO), — которая, по-видимому, регулирует этот процесс, а также молекулу, которая, судя по всему, устраняет жажду при введении в SFO. Она отмечает, что эта область мозга присутствует и у видов, не впадающих в спячку, включая людей.
В настоящее время исследователи изучают способы «взлома» человеческой физиологии, чтобы и мы могли воспользоваться этими преимуществами. Они экспериментируют с лекарствами, ультразвуком и другими методами, позволяющими человеку входить в так называемое состояние синтетического анабиоза. (Хотя эти два термина часто используются как синонимы, учёные обычно определяют анабиоз как кратковременное состояние, длящееся от нескольких часов до суток, в то время как спячка (гибернация) длится гораздо дольше — недели или месяцы. Синтетический анабиоз, как правило, охватывает как краткосрочную, так и долгосрочную метаболическую деактивацию.)
«Это, безусловно, возможно», — говорит биохимик Келли Дрю, профессор Института арктической биологии Университета Аляски. Уже более двух десятилетий Дрю, чьи исследования финансируются НАСА, изучает арктических сусликов, которые впадают в спячку с августа по май, понижая температуру тела с 37 °C до значений ниже нуля. Работа Дрю сосредоточена на том, как эти животные защищают свой мозг, сердце и мышцы в условиях низкой температуры — состоянии, которое в обычных условиях привело бы к гибели живых клеток. Она и её коллеги обнаружили, что во время спячки миозин — ключевой мышечный белок — радикально меняет способ использования энергии, что позволяет ему выдерживать низкие температуры без повреждений.
Выявление ключевых механизмов
В последние годы исследователям удалось вызвать искусственную спячку у целого ряда животных. Практически во всех этих экспериментах использовались инвазивные методы, как правило, связанные с хирургическим вмешательством в мозг. Например, профессор физиологии Болонского университета Маттео Черри воздействовал на клетки ядра бледного шва — области мозга, играющей ключевую роль в регуляции температуры и энергообмена.
Однако, хотя эта работа помогает пролить свет на механизмы, лежащие в основе этого процесса, вскрывать черепа космонавтов каждый раз, когда им приходится входить в состояние анабиоза или выходить из него, было бы нецелесообразно и неэтично. С 2023 года несколько исследовательских групп, в том числе учёные из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, используют ультразвук — неинвазивный метод, основанный на передаче звуковых волн, — для вызывания искусственного анабиоза у животных. Черри и его коллеги, получающие финансирование от ЕКА, надеются в ближайшее время начать испытания этого подхода на здоровых добровольцах.
Гибернация — чрезвычайно сложный процесс, ведь он затрагивает каждую клетку организма, и почти наверняка в нём задействованы многочисленные механизмы. Исследователь в области нейробиологии из Массачусетского технологического института (MIT) Синиша Хрватин [Siniša Hrvatin] выявил ещё одну область мозга, которая, по-видимому, играет ключевую роль в этом процессе. В статье, опубликованной в начале этого года (но ещё не прошедшей экспертную оценку), он и его команда сосредоточили внимание на области, известной как преоптическая зона, которая играет ключевую роль в метаболизме и регулировании температуры. Активировав нейроны в преоптической зоне хомяков, исследователи ввели их в состояние оцепенения, понизив температуру тела животных до 15 °C.
Хрватин отмечает, что эта преоптическая нейронная цепь, вероятно, существует у самых разных животных, в том числе у тех, которые вообще не впадают в спячку или анабиоз. По мнению Хрватина, это позволяет предположить, что у животных, которые обычно не переходят в состояние «затишья», можно вызвать состояние, сходное со спячкой. «Ключевые аспекты этой цепи, по-видимому, сохраняются у разных видов животных», — говорит он. «Я думаю, что мы можем использовать её для регулирования обмена веществ». Неясно, существует ли эта преоптическая схема у людей; пока никто это не исследовал. Хрватин планирует в ближайшее время изучить этот вопрос.
Некоторые учёные уже проводят эксперименты на людях. В исследовании, опубликованном в прошлом году, исследователь из Университета Питтсбурга Клифтон Каллауэй в течение пяти дней давал здоровым людям седативное средство под названием дексмедетомидин; это привело к снижению скорости метаболизма на 20% и сокращению общего потребления калорий на 30%. По сравнению с тем, что происходит у суслика, это небольшое снижение. Но Каллауэй, чья работа получила финансирование от НАСА, говорит, что этого может хватить, чтобы защитить космонавтов по крайней мере от некоторых опасностей космического полёта. А в ходе длительного полёта даже относительно небольшое снижение метаболизма существенно повысит эффективность.
«Полёт на Марс потребует примерно 300 кг провианта на одного космонавта в обе стороны, — говорит он. — Если удастся сократить это количество на четверть или больше, то в итоге это даст значительный эффект».
Спасение жизней на Земле
Перспективы синтетической спячки выходят далеко за рамки повышения безопасности космических полётов. Учёные изучают её в качестве метода лечения широкого спектра заболеваний, включая рак и болезнь Альцгеймера. Похоже, что гибернация запускает обширные восстановительные и регенеративные процессы во многих органах и типах клеток. Кроме того, она, по-видимому, сдерживает рост раковых клеток и делает их более уязвимыми к лечению. И Черри, и Хрватин занимаются исследованиями в этой области. «У этого огромный терапевтический потенциал, — говорит Черри. — Это просто невероятно увлекательная область». Дрю, профессор Университета Аляски, и другие исследователи полагают, что это может быть полезно и при лечении ожирения: ускоряя, а не замедляя обмен веществ, врачи могли бы помочь людям сжигать больше калорий.
Группа голландских учёных идентифицировала молекулу, связанную с гибернацией, которая, по их мнению, может использоваться для лечения болезни Паркинсона, сердечной недостаточности, астмы и других заболеваний. Роб Хеннинг, Роэлоф Хут и Кес ван дер Грааф, исследователи из Университета Гронингена, выделили молекулу SUL-138 из сирийских хомячков, которые впадают в состояние оцепенения, когда температура опускается ниже 18 °C. Хеннинг и его коллеги протестировали это соединение на различных животных, не впадающих в спячку, и показали, что оно обладает широкими защитными и регенеративными свойствами. Недавно они начали небольшое клиническое испытание этого соединения на пациентах с болезнью Паркинсона.
«Возможности безграничны», — говорит Хеннинг. «Когда я разговариваю со своими коллегами-медиками, я всегда говорю: „Какая у вас проблема? Я решу её с помощью гибернации“».
Каллауэй, который также является врачом отделения неотложной помощи, говорит, что искусственный анабиоз может быть полезен при всех видах неотложных медицинских ситуаций, включая инфаркты, инсульты и черепно-мозговые травмы, когда врачам нужно быстро замедлить обмен веществ и уменьшить воспаление, чтобы выиграть время для лечения проблемы. В отличие от пациентов, находящихся в медикаментозной коме, пациенты в состоянии искусственной спячки не нуждались бы в системе жизнеобеспечения, поскольку их мозг по-прежнему оставался бы активным. Он отмечает, что состояние спячки может стать усовершенствованной версией терапевтической гипотермии — метода, который применяется уже на протяжении десятилетий.
Несмотря на свою полезность, гипотермия имеет серьёзный недостаток: организм сопротивляется холоду, дрожа, что усиливает воспаление и ускоряет сердечный ритм. Эти отчаянные попытки согреться могут снизить эффективность лечения. Напротив, впадающие в гибернацию животные не реагируют на холод столь бурно; это различие может сделать искусственную спячку гораздо более эффективным инструментом в экстренных ситуациях.
Большинство экспертов сходятся во мнении, что впервые гибернация будет применена у людей, скорее всего, в медицинских целях. Хрватин считает, что первым вариантом применения, вероятно, станет трансплантация органов: по его словам, активировать некоторые механизмы гибернации для продления срока жизнеспособности органа будет относительно просто. Исследователи уже проводят эксперименты в этом направлении и обнаружили, что это может значительно увеличить долговечность органов.
Мнения о том, когда искусственная спячка станет реальностью для людей, разнятся. Черри относится к числу наиболее оптимистичных — он полагает, что это произойдёт в ближайшие 10–15 лет. Большинство экспертов считают, что на это уйдёт больше времени; Хан, учёная из ЕКА, полагает, что потребуется несколько десятилетий.
Она и другие учёные отмечают, что прежде чем анабиоз можно будет использовать для космических полётов или в лечебных целях, исследователи должны гораздо лучше понять этот процесс. В противном случае, по её словам, мы рискуем столкнуться со всевозможными кошмарными сценариями из научной фантастики. «Процесс введения в анабиоз достаточно хорошо изучен, — говорит она. — А вот выведение человека из этого состояния — нет. Нам нужно убедиться, что мы правильно освоили обе части процесса».
