Nejbezpečnějším způsobem cestování na velké vzdálenosti ve vesmíru může být umělá hibernace.
Jednoho dne budou astronauti, plněné jako šproty v raketových kanálech a létající na jiné planety, ochráněni před radiací a kosmickou nemocí snížením rychlosti metabolismu v těle. Budou hibernace měsíce jako medvědi a kosmická loď je bude nést skrz prostor a čas. Pravděpodobně budou spát v bílých kokonech, podobných rakvám, které nás režiséři futuristické science fiction ukazují ve filmech jako 2001: A Space Odyssey, Alien a Avatar.
Ale astronauti a vesmírní kolonisté se pravděpodobně od dehydratovaných šneků naučí něco nebo dva, kteří mohou přežít déle než rok, aniž by něco jedli. Nebo v obřích pandách, které se živí nízkokalorickým bambusem. A také v pijavicích, které mohou přežít v tekutém dusíku; u dětí, které upadly do ledové vody, a poté resuscitovaly; v lyžařích pohřbených v lavině, ale pak se pomalu vracejí k životu z bezesného stavu podchlazení.
Vědci tento jev nazývají „omámeným hibernací“. Kdysi byl takový torpor nebo torpor považován za něco podivného a výstředního a nazýval se „necitlivost funkcí“. Nyní se to vážně zkoumá a doufá, že bude mít prospěch z dlouhodobých kosmických letů.
Tento zájem je částečně způsoben pokroky v kryogenní chirurgii, jakož i novými poznatky získanými v praxi. Jeden takový případ byl zaznamenán v roce 1995 v časopise Prehospital and Disaster Medicine. Čtyřletý chlapec padl ledem do studené vody na jezeře v německém Hannoveru. Záchranáři ho vytáhli z vody, ale nemohli ho na místě přivést k smyslům. Chlapcovy žáci se rozšířili a jeho srdce se zastavilo na celých 88 minut. Když byl oběť převezena do nemocnice, jeho tělesná teplota byla 20 stupňů, což svědčilo o extrémní podchlazení.
Po 20 minutách, kdy lékaři zahřívali chlapcovu hrudní dutinu, se mu srdeční komory začaly stahovat. Po dalších deseti minutách se sinusový rytmus vrátil do normálu. Za dva týdny se chlapec úplně vzpamatoval a byl propuštěn z nemocnice. Lékaři došli k závěru, že ledově studená voda rychle ochladila jeho tělo do stavu metabolického stuporu (torporu), přičemž zachovala všechny životně důležité orgány a tkáně a současně snížila potřebu kyslíku pro krevní oběh. Chlad mu zachránil život. "Tyto případy nás vedou k názoru, že velmi hluboká podchlazení by našim pacientům umožnilo přežít," napsal e-mail Samuel Tisherman, profesor chirurgie na University of Maryland School of Medicine. - Hlavní věcí je chlazení mozku buď do zastavení toku krve,nebo ihned po zastavení. Čím nižší je teplota, tím lépe se mozek vyrovná s nedostatkem průtoku krve. “
Terapeutická hypotermie je pevně stanovena v chirurgické praxi. Chladicí experimenty začaly v 60. letech 20. století, zejména u novorozenců a kardiovaskulárních chorob. Novorozenci byli zabaleni do chladicích přikrývek, uloženi do ledu a dokonce i do driftů, aby zpomalili krevní oběh a snížili spotřebu kyslíku před operací srdce.
Dnes lékaři používají mírné podchlazení (přibližně 31 stupňů) k léčbě určitých novorozenců v závažných případech, jako je předčasný porod nebo hypoxie plodu. Děti jsou léčeny v chladících kapslích po dobu 72 hodin, čímž se snižuje jejich metabolismus do té míry, že jsou splněny kyslíkové požadavky tkání, zatímco mozek a další životně důležité orgány jsou obnoveny.
Propagační video:
Chirurgové také používají chlazení a metabolickou supresi k léčbě pacientů trpících fyzickými zraněními a zraněními, jako jsou srdeční infarkty, mrtvice, výstřely, hojné krvácení a poranění hlavy, které způsobují mozkový edém. V nouzových případech může anesteziolog vložit do nosu pacienta tenkou katétrovou trubici, která dodává chladicí dusík přímo do mozkové základny. V jednom léčebném experimentu chirurgové vkládají katétr se srdečními plicemi přes hrudník do aorty nebo přes třísla do femorální tepny. Tyto zkumavky se používají k dodávání studeného solného roztoku ke snížení tělesné teploty a nahrazení ztracené krve. Když traumatolog zastaví krvácení, stroj srdce a plic znovu zahájí průtok krve a pacient obdrží krevní transfúzi.
"Pokud použijete dostatečně rychle nachlazení, než se srdce zastaví, pak životně důležité orgány, a zejména mozek, budou nějakou dobu schopny odolat chladu bez krve," vysvětluje Tisherman. Vede klinické studie se studeným solným roztokem na klinice Baltimore a snaží se pomoci kriticky zraněným pacientům. Tisherman doufá, že bude pokračovat ve svém výzkumu alespoň do pádu roku 2018 a možná i déle.
Výsledná podchlazení rychle zpomalí nebo zastaví krevní oběh asi hodinu. V souladu s tím klesá potřeba kyslíku a chirurgové mají čas na uzdravení život ohrožujících ran, po kterých mohou pacienta zahřát a uvést ho do života.
Torporská hádanka
Dnes mnozí v leteckém společenství upírají své naděje na medicínsky generovanou hypotermii a výsledné zpomalení metabolismu jako způsob, jak ušetřit prostor, hmotnost, náklad, palivo, jídlo a depresi během dlouhých letů na Mars nebo vzdálenějších planetách. Výzkum v tomto směru teprve začíná. Jeden problém je čistě lékařský. Jaký je nejlepší způsob, jak uvést zdravé astronauty do režimu spánku? Je dobře známo o terapeutické podchlazení na operačním sále, ale jak udržet lidi ve vesmíru v chladu a hibernaci týdny, měsíce a dokonce roky? Toto je zcela neprozkoumaná oblast. Někteří vědci, kteří studují hibernaci na zvířatech, tvrdí, že jiné metody potlačování metabolismu jsou lepší. Toto je speciální dietanízkofrekvenční záření a dokonce i použití proteinů, které indukují hibernaci u zvířat, jako jsou medvědi a veverky beringovské, protože bezpečně regulují metabolickou rychlost s možností výstupu z torporu.
Dalším zjevným problémem je financování. Kolik peněz přidělí NASA na studium metabolického zpomalení u zvířat a lidí, pokud agentura sníží rozpočet i na kosmické lety? Bývalý ředitel Výzkumného centra Ames v Kalifornii, Pete Worden, nyní výkonný ředitel projektu Průlomový Starshot, říká, že protože NASA klade velký důraz na syntetickou biologii a přežití a fungování organismů v neobvyklém prostředí, jako je Mars, „co je hibernace bude financována, je téměř nevyhnutelná. “
Tento optimismus nesdílí každý. "Lidé jsou zklamaní," říká Yuri Griko, radiobiolog vyškolený NASA a vedoucí výzkumný pracovník v oddělení biologie vesmíru v Amesově centru. - Když v roce 1957 do vesmíru vletěl satelit, moje generace se radovala a radovala se. Věřili jsme, že na Mars odletíme již ve 20. století. Ale … je to 21. století a my jsme nikdy letěli na Mars. Lidé jako já mají pocit osobní rozhořčení, protože jsme očekávali, že půjdou mnohem dále, než jsme teď. “
Griko připouští, že výzkum snižování metabolismu je v současné době v limbu. Do NASA nastoupil v roce 2005 a předtím pracoval pět let v biotechnologické firmě Clearant, Inc., kde pomocí ionizujícího záření blokoval aktivitu patogenů v léčivých krevních produktech, v transplantačních orgánech a v biologických produktech. Kosmická agentura poté vyzvala Griko, aby provedl výzkum na ochranu astronautů před kosmickým zářením. Ukázalo se, že zpomalení metabolismu je jedním z nejúčinnějších mechanismů, které nám dává příroda.
Když zvířata přejdou do režimu spánku, jejich tělo nese záření bez významného poškození buněk. Griko věří, že snížení metabolismu vede ke snížení poškození zářením, protože biochemické procesy jsou zpomaleny a oxidační stres je oslaben. Jedním z možných vysvětlení účinku stínění záření je hypoxie nebo nízká hladina kyslíku v krvi a tkáni. Při hypoxii se snižuje tvorba volného kyslíku a hydroxylových radikálů. Protože ionizující záření uvolňuje volné radikály, způsobuje poškození buněk, zpomaluje metabolismus a snižuje spotřebu kyslíku v opačném směru. Tyto procesy narušují smrt normálních buněk a prodlužují život zdravých buněk. Tento ochranný účinek je mnohem výraznější při nižších teplotách.
Griko věří, že hibernace může také chránit zvířata před atrofií svalů a kostí, ke kterým obvykle dochází při nulové gravitaci. Podle něj normální člověk po strávení 90 dní v posteli ztrácí více než polovinu své svalové síly. Ale medvěd, který nic nejí a spí ve své doupěti přibližně stejnou dobu nebo o něco déle, ztratí pouze 25% své svalové síly a nevykazuje žádné známky úbytku kostní hmoty. Vědec poznamenává, že hibernace zvířat, jako jsou želvy a vačnatci, nebyla po desetiletí posílána do vesmíru.
NASA popřela svou žádost o financování vesmírných experimentů s hibernací zvířat. Dnes je Griko vědecká práce omezena na analýzu výzkumu prováděného v režimu spánku a provádí také vlastní laboratorní studie, studuje stázi u myší, hlemýžďů a pijavic. Vědec navrhl uspořádat v roce 2015 mezinárodní konferenci o torporu, pozvat na ni přední světové experty a diskutovat o otázce, jak lze hibernaci nalézt ve vesmíru. NASA to odmítla financovat, ale Griko stále doufá, že získá potřebné peníze.
"Studium torpporu má značné překážky, i když bez tohoto nemůžeme vážně hovořit o dálkových kosmických letech," říká bývalý velitel posádky NASA a velitel posádky ISS Leroy Chiao, který od října 2004 do dubna 2005 strávil na oběžné dráze 193 dní. roku. Výzkum na zvířatech je obzvláště náročné téma, protože NASA v minulosti kritizoval obhájce zvířat. "Dokonce i výzkum primátů je vnímán lidmi nepřátelsky," poznamenává Chiao.
Řešení je na dvou planetách
Jason Derleth vidí důvod naděje v programovém manažeru NASA pro inovativní pokročilé koncepty (NIAC). Pod jeho vedením program od roku 2013 udělil dva inovační granty na podporu podrobných plánů jedné společnosti na vytvoření mezilehlé laboratoře na Marsu pomocí technik umělého hibernace. Vedoucí společnost pro tento projekt, SpaceWorks Enterprises, je letecký konstruktér a dodavatel pro NASA a ministerstvo obrany. Nachází se v Dunwoody v Gruzii, 30 km od Atlanty. Společnost se podílela na tvorbě formátu CubeSat pro malé satelity umělé země. Ale to byl torpor, který upoutal zvláštní pozornost prezidenta a hlavního inženýra této společnosti, Johna Bradforda (John Bradford).
"Již 15 let se ptám, jak navrhnout materiály, struktury a pohonné systémy, které nám umožní letět na Mars a jeho měsíce," říká Bradford. Je Ph. D. a letecký inženýr. Bradford vedl několik projektů NASA, Agentury pro pokročilé výzkumné projekty Ministerstva obrany USA a Laboratoře pro výzkum leteckých sil, jejichž cílem bylo stavět vojenské kosmické letouny. Byl také konzultantem pro sci-fi film Cestující, který vyšel v roce 2016. Tam se meziplanetární osadníci, kterou hráli Jennifer Lawrence a Chris Pratt, probudili z umělého spánku dopředu. "Už nefilmujeme misi Apollo," vysvětluje Bradford. - Žádné vlajky a stopy. Musíme se stát dvou planetárním druhem. ““
Tým lékařského inženýrství společnosti Bradford využil první grant Inovace pokročilých koncepcí v roce 2013 k návrhu kompaktního obývacího modulu s nulovou gravitací z tuhých konstrukcí založeného na modulu bydlení ISS. V tomto kosmickém domě je uzavřený cyklus výroby kyslíku a vody, přímý přístup k modulu vzletu a přistání pro přistání na Marsu, jakož i komplex podpory života pro šest lidí, kteří měli po celou dobu letu vrhnout do torporního stavu (od šesti do devět měsíců).
Navrhovaná technika umělého hibernace je založena na technikách používaných chirurgy k vyvolání podchlazení u pacienta. Například dusík z chladicího plynu může být dodáván astronautovi nosní trubicí, čímž se snižuje teplota mozku a těla na 31 stupňů. To je dost pro udržení hibernace, ale zároveň srdce nepřevrhne a nehrozí žádné další komplikace. S ochlazováním klesá srážení krve, poznamenává Tisherman. Také si všiml, že u pacientů, kteří jsou vystaveni střední podchlazení (33 stupňů) po dobu dvou nebo více dnů, je větší pravděpodobnost infekce než u lidí bez chladu.
Ve vesmírném domě SpaceWorks Enterprises jsou modulární mechanické manipulátory naprogramovány tak, aby vykonávaly domácí práce, cvičily údy astronautů, kontrolovaly tělesné senzory, prázdné nádoby na moč a monitorovaly dodávání živin. Roboti musí vyslat elektrické impulsy do svalů astronautů, udržovat je v dobré kondici a také injektovat sedativa k potlačení přirozených třesů. Astronauti musí také dostávat úplnou parenterální výživu pomocí látek, jako je elektrolyt, D-glukóza, lipidy, vitamíny atd. Do těla se jim dodává tekutina katétrem, který je zasunut do hrudníku nebo stehna. V experimentálním modulu byly vytvořeny zásoby celkové parenterální výživy po dobu 180 dnů. Pokud ale let na Mars trvá déle,v modulu můžete vytvořit zásobu jídla na dalších 500 dní.
Celkově se SpaceWork podařilo snížit celkovou hmotnost kompaktního stanoviště na 19,9 tun, včetně spotřebního materiálu a spotřebního materiálu (nízká hmotnost orbity Země). Pro srovnání, bytová jednotka TransHab NASA, spolu se spotřebním materiálem a spotřebou, váží 41,9 tun. To je o 52% více než SpaceWork. Ve srovnání s modulem NASA SpaceWork byla celková hmotnost zásob snížena o 70%.
Zajímavé bylo řízení programu NIAC. "SpaceWorks učinil zajímavý návrh," říká Derlet. "Lidé studovali hibernaci pro lékařské účely." Ale pokud víme, nikdo v současné době neprovádí konstruktivní studii využití podchlazení nebo torporu ve vesmírných letech. ““
V roce 2013 poskytla správa NIAC SpaceWorks první část grantu ve výši 100 000 USD na vývoj vzorové platformy pro umělé spaní výzkumných letů na Mars a jeho satelity. Posádka měla zahrnovat čtyři až osm lidí. Vesmírná agentura však nesouhlasila s návrhem postavit všechny členy posádky do umělého spánku po celou dobu letu. Co když v kosmické lodi budou zdravotní komplikace nebo poruchy? Jak dlouho to potrvá, než astronauti začnou trpět psychologickým a fyzickým poškozením? Co když komplikace na palubě vyžadují, aby se probudily brzy? A co postupné a pomalé probuzení a ohřátí těla při probuzení astronauta z hibernace?
Tyto otázky posunuly tým SpaceWorks zpět do práce. Navrhli prostor pro posádku, aby zůstala ve stavu umělého spánku, za předpokladu, že několik astronautů by se střídalo vzhůru, aby pilotovalo loď a provádělo nezbytnou práci (jako v „vesmírné odysea“), kde byli dva členové posádky na cestě k Jupiteru vzhůru, zatímco zatímco ostatní byli v umělém režimu spánku).
Bradfordův tým šel dále. Tím, že navrhla tři vzájemně propojené živé moduly pro 100 vysídlených cestujících (k naplnění Marsu), vytvořila kosmickou loď s obývacím prostorem, která je zcela na rozdíl od všeho, co NASA plánovala. Posunutá zátoka SpaceWorks obsahuje dvě kompaktní otočné bytové jednotky, z nichž každá obsahuje 48 cestujících v torpédech. Rotace při různých rychlostech vytváří umělou gravitační sílu, která zabraňuje úbytku kostní hmoty.
Bradfordský tým však měl další odvážnější návrh. V samostatném živém modulu se rozhodla umístit čtyři astronauty do služby, kteří by měli sloužit lodi a posádce po celou dobu letu. Zatímco jeden spí, tři pracují, čímž si zachovávají svou sílu.
Let na Mars od SpaceX
"Otáčení spící posádky a probuzení některých astronautů, které je třeba sledovat, je výhodnější, než mít všechny astronauty hibernace po dobu šesti měsíců," řekl Bradford. Kosmická loď s osadníky v torportu bude lehčí, což výrazně zvýší její rychlost, zkrátí dobu letu a možná také poskytne spolehlivější ochranu před zářením v důsledku zpomalení metabolismu. Dále, říká Bradford, spící astronauti nezažijí pohybovou nemoc, což je běžný problém pro obyvatele ISS.
Hibernace medvědů
Jaký bude ale pocit torporu ve vesmíru? Ne, nejde o zamrznutí v kryogenní jednotce a o revitalizaci, říká porodník-gynekolog a konzultant SpaceWorks Doug Talk, který k léčbě dětí s nedostatkem kyslíku používá terapeutickou hypotermii. "Cryogenics má zde nulový úspěch," vysvětluje. - Lidské tělo není určeno k zamrznutí; skládá se hlavně z vody, a když se voda zvětšuje (to se stane, když zamrzne), vede to ke zničení buněk."
Spíše budou astronauti hibernaci jako kómatu. Je to kříženec bezesného spánku a stavu bez vědomí. "Pacienti v kómatu mají cykly mozkové činnosti od zdánlivého bdění po hluboký, bezesný spánek," vysvětluje Tock. Přestože se pacienti v kómatu nemohou pohybovat, jejich mozek zůstává aktivní a dokonce reaguje na vnější podněty, včetně verbálních příkazů.
Hibernační medvědi zažívají něco podobného. Jejich tělesná teplota klesá jen o několik stupňů (jako u mírné podchlazení u lidí) a jejich metabolismus je snížen o 75%. Medvědi v severním podnebí mohou hibernaci sedm až osm měsíců, aniž by něco jedli nebo pili; a těhotné ženy rodí potomky a živí je i v režimu spánku.
"Lidé v torporu se budou chovat jako medvědi," navrhuje Tok. "Budou mít cykly od bdění a hlubokého spánku bez snů." A jako medvědi, když se probudí, projeví známky nedostatku spánku. “
V květnu 2016 management NIAC schválil druhou fázi projektu SpaceWorks, tentokrát jí poskytl 250 000 dolarů na pokračování v inženýrském výzkumu, jakož i v provozním a lékařském výzkumu. „Projekty fáze 1 prokázaly, že naše vize je skutečná,“říká Derlet. "Jsme rádi, že doktor Bradford postupuje."
Tým SpaceWorks navrhl některá vylepšení designu živého modulu a experiment s umělým spánkem po dobu dvou až tří týdnů s několika zdravými prasaty. Prasata, stejně jako lidé, se ve svém přirozeném prostředí nedotýkají, a proto jejich fyziologická reakce na umělý spánek pomůže lidem lépe pochopit, co lze očekávat od torporu, než experimenty na myších a šnecích. Podle Derletha však pravidla NASA zakazují financování výzkumu prasat.
Proto SpaceWorks přišel s alternativním návrhem: komplexně studovat již provedené a probíhající experimenty na potlačení metabolismu, aby na tomto základě vytvořil akční program pro nejbližší budoucnost s cílem vyvinout nezbytné technologie, které umožní přechod k pokusům na lidech, včetně systematičtějšího výzkumu na zvířatech. Letos v létě má NIAC provést prozatímní přezkum SpaceWorks a rozhodnout se, zda přidělit dalších 250 000 dolarů na financování.
"Stále věříme v nutnost výzkumu živých věcí, abychom mohli vyvíjet technologie torpor a dlouhodobě je používat," napsal zakladatel a generální ředitel SpaceWorks John Olds. "A tento krok může vyžadovat účast soukromých sponzorů."
Kdo za tuto práci zaplatí, bude obtížné provádět pokusy na zvířatech, protože to vyvolává etické otázky.
"Myslím, že NASA má pravdu, aby postupovala pomalu a postupně," říká Arthur Caplan, ředitel lékařské etiky v New York University Medical Center. Zatímco mnozí jsou nadšeni příslibem umělého spánku během rozšířených vesmírných misí, NASA nepotřebuje další problémy, které mohou obhájci zvířat získat, řekl.
"Prasata jsou ve fyziologii velmi podobná lidem, takže je rozumné je používat pro experimenty," říká Kaplan. "A kritikům to můžeme říci: počet prasat, která budou přijata pro tento druh výzkumu, bude nižší než průměrný Američan sní za týden na snídani."
Lidský faktor
Ve filmech sci-fi a knihách je torpor idealizovaný a romantizovaný, říká Kaplan. Vyvolávají dojem, že člověk může snadno vstoupit a opustit tento stav podobný kómatu. Realita však může být jiná.
Podle Kaplana budou první experimenty prováděny za účasti velmi neobvyklých lidí - nejspíše to budou testovací piloti. Tito lidé riskují své životy každý den; rozumějí fyziologickým rizikům, protože testují letadla a vědí, že mnoho z jejich kolegů zemřelo. Astronauti mi řekli, že jsou připraveni účastnit se jakéhokoli experimentu, jen aby létali do vesmíru. Naší úlohou je je zadržet, “říká.
Experimenty na lidech budou bezprecedentním krokem. Nikdo nikdy nepoužil podchlazení ke zpomalení metabolismu u lidí, kteří nejsou nemocní nebo zranění, mnohem méně ve výjimečně zdravých astronautech.
"Máme mnoho zdravých lidí, kteří vyjádřili přání účastnit se dlouhodobých experimentů s umělým spánkem," říká Tok. - Existuje poptávka po lidech, kteří jsou připraveni se odpojit od života po dobu šesti měsíců. Jsem si jistý, že to zdravotní úřady neschválí. “
Mezitím Tok přijal do výzkumného týmu SpaceWorks dva specialisty na terapeutickou hypotermii: Alejandro Rabinstein, lékařský ředitel Neurologické jednotky intenzivní péče na Mayo Clinic a neurovědec Kelly Drew, který pracuje na Fairbanks na Aljašské univerzitě se specializací na hibernaci. zvířata. Drew, spolu s dalšími vědci na Aljašské univerzitě v Arktické biologii, studuje vzorce hibernace teplokrevných zvířat, jako jsou ježci, veverky beringovské a medvědi. Doufají, že vyřeší záhadu zdravého spánku a mozkové signály, které jej spouštějí, věří, že to pomůže astronautům přizpůsobit se bez vedlejších účinků.
Například v zimním období veverka beringovská (evrazhka) tělesná teplota klesá na nulu. Žádný vědec přesně neví, co spouští hibernační mechanismus. Je pravda, že existuje předpoklad, že speciální mozkový a svalový receptor - A1 adenosinový receptor - vede ke snížení tělesné teploty pozemní veverky a způsobí mu spánek, z čehož se probudí o osm měsíců později s minimální ztrátou kosti a svalové hmoty.
"Adenosin je neuromodulátor, který hraje roli při stimulaci spánku a snižování mozkové vzrušivosti," říká Drew. "V živočišných mozcích je všudypřítomný." Injektovala do hibernačního eura lékem, který stimuluje jejich adenosinové receptory A1. Drew může také probudit gofery pomocí jiného léku, který tyto receptory blokuje.
Signalizační kaskáda a soubor genů u lidí jsou však mnohem komplikovanější a velmi obtížné je dešifrovat. To komplikuje úkol, že hibernace zvířat spí různými způsoby.
Jediným primátem, který hibernauje, je lemur madagaskarského pygmy, který tráví osm měsíců ročně v těle, většinou za horkého počasí. Žije z tuku v ocasu. Snížení metabolismu u tohoto zvířete nevyžaduje snížení tělesné teploty.
Mezitím Rabinstein, který plánuje provést analýzu mírné podchlazení k navození torpor, říká, že techniky používané v intenzivní péči ve vesmíru nemusí být tak spolehlivé.
„Skutečnost, že se malé děti„ topí “v ledové vodě a poté přicházejí do jejich smyslů, je pozoruhodná a dává nám to naději,“říká. - Můžeme však použít naše znalosti [hluboké podchlazení] k vytvoření mírnější podchlazení, aby lidé mohli zůstat v tomto stavu mnohem déle bez škodlivých následků, bez psychologického a fyziologického stresu? To ještě zbývá vidět, ale myslíme si, že existuje šance. “
Arielle Emmett