Оценена возможность полета на Марс в состоянии гибернации

Путь к Красной планете очень долог. Могут ли люди впасть в спячку по пути на Марс? Ученые пытаются воссоздать биологию, которая позволяет животным месяцами выживать без еды и воды, в надежде сделать возможным полет в глубокий космос.

Ключом к решению этих проблем, продолжает The Guardian, может стать физиологическая стратегия, существующая 250 миллионов лет назад и позволяющая млекопитающим, птицам, рыбам и другим животным выживать в условиях крайней нехватки ресурсов, по сути переходя в автономный режим: спячку. Впадая в спячку, животные практически полностью отключают функции своего организма; они не едят, не пьют и не двигаются, и, что не менее важно, они не испытывают голода или жажды и, по-видимому, не страдают от холода. Эта замечательная способность может оказаться решающей для того, чтобы помочь людям добраться до Марса и за его пределами, а также спасти жизни на Земле.

Оказывается, спячка может защитить от многих опасностей, связанных с длительным космическим полетом, включая радиационное воздействие и потерю костной и мышечной массы. Более того, помещение путешественников в длительное бессознательное состояние может помочь снизить риск пребывания в замкнутом пространстве на месяцы или годы. Спящий режим также может значительно сократить количество еды и воды, необходимых для полета, уменьшив полезную нагрузку и позволяя астронавтам добраться до места назначения — и обратно — за меньшее время.

Проблема, конечно, в том, что люди по своей природе не впадают в спячку, отмечает The Guardian. В отличие от медведей, летучих мышей и многих других видов, эволюция не привела к радикальному снижению нашего метаболизма в условиях нехватки ресурсов. Чтобы преодолеть эту проблему, растущая группа ученых по всему миру работает над разработкой методов, которые могут безопасно вызывать спячку у людей.

Эти исследователи, некоторые из которых финансируются Европейским космическим агентством (ЕКА) и НАСА, выясняют, как люди, находящиеся в спячке, выключаются, а затем снова включаются - без каких-либо негативных последствий после месяцев отсутствия еды, воды или физических упражнений.

«Это очень многообещающая область, — говорит Кристиана Хан, курирующая исследования в области космической биологии в ЕКА. — Она может полностью изменить будущее космических путешествий».

Опасность космического излучения

Радиация является особой проблемой во время длительных космических полетов, подчеркивает The Guardian. На Земле атмосфера блокирует большинство радиоактивных частиц, но в космосе защиты нет. Во время долгосрочных космических путешествий путешественники будут постоянно подвергаться опасному воздействию вредных ионов. Частицы могут застрять внутри космического корабля, причинив еще больший ущерб тем, кто находится внутри.

«Защита людей от радиации в космосе — очень сложная задача», — говорит Кристиан Хан. «Мы еще не нашли эффективного щита».

Исследования показали, что спящий режим защищает от этого вреда. Во время спячки животные снижают свою метаболическую активность, потребляют меньше кислорода и плотно упаковывают нити ДНК, что защищает от радиационного повреждения. Кроме того, гибернаторы обладают мощными механизмами восстановления ДНК.

«То, что они могут сделать, просто невероятно», — говорит физиолог из Йельского университета Елена Грачева, наблюдающая за большой колонией сусликов, обитающих на Среднем Западе США и в Канаде.

Эти существа содержатся в спячке, в специально созданном помещении, воссоздающем их естественную среду обитания.

«Летом эти животные похожи на нас, но зимой они становятся совершенно другими организмами», — говорит она. "Частота их пульса падает до одного удара каждые несколько минут, а температура тела достигает 4°C, что соответствует температуре холодильника. И тем не менее, они все еще живы".

Грачева изучает, как животные могут выжить без воды в течение восьми месяцев — во время спячки животные не пьют, даже если им дают воду. Она определила область мозга, подслизистый орган (SFO), который, по-видимому, регулирует этот процесс, а также молекулу, которая, по-видимому, устраняет жажду при инъекции в подслизистый орган. Она отмечает, что эта область мозга также существует у видов, которые не впадают в спячку, включая человека.

Исследователи сейчас изучают способы взломать физиологию человека, чтобы мы тоже могли воспользоваться этими преимуществами. Они экспериментируют с лекарствами, ультразвуком и другими методами, позволяющими людям войти в состояние искусственного оцепенения. (Хотя эти два термина часто используются как синонимы, ученые обычно определяют оцепенение как кратковременное состояние, продолжающееся от нескольких часов до суток, тогда как спячка длится гораздо дольше, в течение недель или месяцев.

Синтетическая оцепенение обычно включает как кратковременную, так и долгосрочную метаболическую дезактивацию.)

«Это определенно осуществимо», — говорит биохимик Келли Дрю, профессор Института арктической биологии Университета Аляски.

Более двух десятилетий Дрю изучает арктических сусликов, которые впадают в спячку с августа по май, снижая температуру своего тела с 37 градусов по Цельсию до ниже нуля в рамках программы НАСА. Работа Дрю была сосредоточена на том, как животные защищают свой мозг, сердце и мышцы при низких температурах — состоянии, при котором живые клетки обычно умирают. Она и ее коллеги обнаружили, что во время спячки миозин, ключевой мышечный белок, радикально меняет способ использования энергии, позволяя мышцам выдерживать низкие температуры без повреждений.

Определены ключевые механизмы

В последние годы исследователям удалось вызвать искусственное оцепенение у ряда животных, сообщает The Guardian. Почти во всех этих экспериментах использовались инвазивные методы, обычно хирургия головного мозга. Профессор физиологии Болонского университета Маттео Шерри, например, воздействовал на клетки бледного шва, области мозга, которая играет ключевую роль в регулировании температуры и потребления энергии.

Но хотя эта работа помогает пролить свет на механизмы, участвующие в этом процессе, было бы непрактично и неэтично вскрывать черепа космических путешественников каждый раз, когда им приходится входить в спячку или выходить из нее. С 2023 года несколько групп, в том числе ученые из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, использовали ультразвук — неинвазивный метод, передающий звуковые волны, — для искусственного оцепенения животных. Серри и его коллеги, получающие финансирование от Эка, надеются вскоре начать тестирование этого подхода на здоровых добровольцах.

Гибернация чрезвычайно сложна — в конце концов, она затрагивает каждую клетку тела — и этот процесс почти наверняка включает в себя множество переключений. Исследователь нейробиологии Массачусетского технологического института Синиша Хрватин определил еще одну область мозга, которая, судя по всему, играет ключевую роль в этом процессе. В статье, опубликованной ранее в этом году (но еще не рецензированной), он и его команда исследовали область, известную как преоптическая область, которая играет ключевую роль в обмене веществ и температуре. Активируя нейроны в преоптической области хомяков, исследователи вызывали у них оцепенение, снижая температуру тела животных до 15°C.

Хрватин отмечает, что эта преоптическая нервная цепь, вероятно, существует у самых разных животных, включая тех, которые вообще не впадают в спячку и не впадают в спячку. И это говорит о том, что возможно вызвать состояние, подобное спячке, у животных, которые обычно не впадают в спячку.

«Ключевые аспекты этой схемы, похоже, сохраняются у всех животных», — говорит он. «Я думаю, мы можем использовать это, чтобы изменить метаболизм». Неясно, существует ли такая преоптическая цепь у людей; никто это не изучал. Хрватин планирует изучить этот вопрос в ближайшем будущем.

Некоторые ученые уже проводят эксперименты на людях. В исследовании, опубликованном в прошлом году, исследователь из Питтсбургского университета Клифтон Каллауэй давал здоровым людям успокоительное средство под названием дексмедетомидин в течение пяти дней; это привело к снижению скорости метаболизма на 20% и снижению общего потребления калорий на 30%. По сравнению с тем, что делает суслик, это совсем немного. Но Каллауэй, чья работа получила финансирование от НАСА, говорит, что этого может быть достаточно, чтобы защитить путешественников, по крайней мере, от некоторых опасностей космического полета. А во время длительного полета даже относительно небольшое снижение метаболизма может повлиять на эффективность.

«Полет на Марс потребует около 300 килограммов еды на одного астронавта в оба конца», — говорит он. «Если вы сможете сократить эту цифру на четверть или больше, это может быть выгодно».

Это также спасет жизни на Земле

Перспективы создания синтетического оцепенения выходят далеко за рамки обеспечения безопасности космических полетов. Ученые изучают его как средство лечения широкого спектра заболеваний, включая рак и болезнь Альцгеймера. Спячка, по-видимому, стимулирует восстановление и регенерацию многих органов и типов клеток. И, по-видимому, он подавляет рост раковых клеток и делает их более уязвимыми для лечения. И Серри, и Хрватин изучают эту область.

«Он обладает огромным терапевтическим потенциалом», — говорит Серри. «Это просто невероятно интересная область».

Дрю, профессор Университета Аляски, и другие ученые считают, что это также может быть полезно при ожирении; Повышая, а не снижая скорость метаболизма, врачи могли бы помочь людям сжигать больше калорий.

Команда голландских ученых идентифицировала молекулу, связанную с гибернацией, которая, по их мнению, может помочь в лечении болезни Паркинсона, сердечной недостаточности, астмы и других заболеваний. Роб Хеннинг, Рулоф Хут и Кес ван дер Грааф, исследователи из Гронингенского университета, выделили молекулу SUL-138 из сирийских хомяков, которые впадают в оцепенение, когда температура падает ниже 18°C. Хеннинг и его коллеги протестировали это соединение на ряде животных, не находящихся в спячке, и показали, что оно обладает широкими защитными и регенеративными свойствами. Недавно они начали небольшое испытание этого соединения на людях у пациентов с болезнью Паркинсона.

«Это предел», — говорит Хеннинг. «Когда я разговариваю со своими коллегами-медиками, я всегда спрашиваю: «В чем ваша проблема? Я решу ее с помощью гибернации».