Когда-нибудь астронавтов, засунутых подобно шпротам в консервные банки ракет, и летящих к другим планетам, от радиации и космической болезни будет защищать уменьшение темпов обмена веществ в организме. Они станут на долгие месяцы впадать в спячку как медведи, а космические корабли понесут их через пространство и время. Наверное, спать они будут в белых коконах, похожих на гробы, какие нам показывают режиссеры футуристической кинофантастики в фильмах типа «2001 год: Космическая одиссея», «Чужой» и «Аватар».
Но скорее всего, астронавты и космические колонисты научатся кое-чему у обезвоженных улиток, которые могут прожить больше года, ничем не питаясь. Или у гигантских панд, кормом для которых является низкокалорийный бамбук. А еще у пиявок, способных выжить в жидком азоте; у детей, попавших в ледяную воду, а потом реанимированных; у лыжников, похороненных в снежной лавине, но затем медленно возвращающихся к жизни из лишенного сновидений состояния переохлаждения.
Ученые называют это явление «спячкой в состоянии оцепенения». Когда-то такое оцепенение, или торпор, считали чем-то странным и диковинным, и называли «бесчувствием функций». Сейчас же его серьезно изучают, надеясь извлечь пользу для длительных космических полетов.
Этот интерес отчасти обусловлен успехами криогенной хирургии, а также новыми знаниями, полученными на практике. Один такой случай был описан в 1995 году в журнале Prehospital and Disaster Medicine. Четырехлетний мальчик провалился сквозь лед в холодную воду на озере в немецком Ганновере. Спасатели вытащили его из воды, но привести в чувство на месте не смогли. Зрачки у мальчика расширились, а сердце остановилось на целых 88 минут. Когда пострадавшего привезли в госпиталь, температура тела у него была 20 градусов, что указывало на крайнее переохлаждение.
Спустя 20 минут, когда врачи стали согревать грудную полость мальчика, желудочки сердца у него начали сокращаться. Еще через десять минут восстановился до нормы синусовый ритм. За две недели мальчик полностью выздоровел, и его выписали из госпиталя. Врачи пришли к выводу, что ледяная вода стремительно охладила его тело до состояния метаболического оцепенения (торпора), сохранив все жизненно важные органы и ткани, и в то же время, уменьшив потребность в кислороде для кровообращения. По сути дела, холод спас ему жизнь. «Такого рода случаи заставляют нас думать о том, что очень глубокая гипотермия может позволить нашим пациентам выжить, — написал по электронной почте профессор хирургии Сэмюэл Тишерман (Samuel Tisherman), работающий на медицинском факультете Мэрилендского университета. — Главное — это охладить мозг либо до остановки кровотока, либо сразу после остановки. Чем ниже будет температура, тем лучше мозг справится с отсутствием притока крови».
Лечебная гипотермия прочно вошла в хирургическую практику. Эксперименты с охлаждением начались еще в 1960-е годы, в основном с новорожденными и больными сердечно-сосудистыми заболеваниями. Новорожденных заворачивали в охлаждающие одеяла, помещали в лед и даже в сугробы, чтобы замедлить кровообращение и снизить потребность в кислороде перед операцией на сердце.
Сегодня врачи используют умеренную гипотермию (примерно 31 градус) для лечения некоторых новорожденных в тяжелых случаях, таких как преждевременные роды или гипоксия плода. Детей лечат в охлаждающих капсулах в течение 72 часов, понижая их метаболизм до такой степени, чтобы обеспечивались потребности тканей в кислороде, и при этом мозг и прочие жизненно важные органы восстанавливались.
Точно так же хирурги применяют охлаждение и подавление метаболизма при лечении пациентов, страдающих от физических травм и повреждений, таких как инфаркт, инсульт, огнестрельные ранения, обильное кровотечение и травмы головы, вызывающие отек головного мозга. В чрезвычайных ситуациях анестезиолог может ввести в нос пациента тонкую трубку-катетер, которая подает охлаждающий азот непосредственно к основанию головного мозга. В ходе одного лечебного эксперимента хирурги вводят катетер аппарата искусственного кровообращения через грудную клетку в аорту, или через пах в бедренную артерию. По этим трубкам они подают холодный солевой раствор, чтобы уменьшить температуру тела и заменить потерянную кровь. Когда травматолог останавливает кровотечение, аппарат сердце-легкие снова запускает кровоток, и пациенту переливают кровь.
«Если подать холод достаточно быстро, до остановки сердца, то жизненно важные органы, и в частности мозг, какое-то время смогут выдерживать холод без крови», — объясняет Тишерман. Он проводит клинические испытания с подачей холодного солевого раствора в клинике Балтимора, пытаясь помочь пациентам с тяжелыми травмами. Тишерман надеется продолжить свои исследования как минимум до осени 2018 года, а может, и дольше.
Возникающая гипотермия быстро замедляет или останавливает циркуляцию крови примерно на час. Соответственно уменьшается потребность в кислороде, а у хирургов появляется время для лечения опасных для жизни ран, после чего они могут согреть пациента и вернуть его к жизни.
Загадка торпора
Сегодня многие в аэрокосмическом сообществе возлагают надежды на создаваемую медицинским путем гипотермию и возникающее в результате замедление обмена веществ, видя в этом способ сэкономить на пространстве, массе, грузе, топливе, еде и устранить депрессию во время долгого полета на Марс или на более удаленные планеты. Исследования в этом направлении только начинаются. Одна проблема носит чисто медицинский характер. Каким способом лучше всего вводить здоровых астронавтов в состояние спячки? О терапевтической гипотермии в операционной хорошо известно, но как на протяжении недель, месяцев и даже лет держать в охлажденном состоянии и в спячке людей в открытом космосе? Это совершенно неизученная область. Некоторые ученые, изучающие спячку у животных, заявляют, что лучше применять другие методы подавления метаболизма. Это особая диета, низкочастотная радиация и даже применение белков, вызывающих спячку у таких животных как медведи и берингийские суслики, потому что они безопасно регулируют скорость обмена веществ с возможностью вывода из торпора.
Еще одна совершенно очевидная проблема это финансирование. Сколько денег выделит НАСА на изучение замедления метаболизма у животных и человека, если агентству сокращают бюджет даже на полеты в космос? Бывший директор Исследовательского центра Эймса в Калифорнии Пит Уорден (Pete Worden), ныне работающий исполнительным директором проекта Breakthrough Starshot, говорит, что поскольку НАСА придает большое значение синтетической биологии и вопросам выживания и функционирования организмов в необычной среде типа Марса, «то, что область изучения спячки будет финансироваться, это практически неизбежно».
Такой оптимизм разделяют далеко не все. «Люди разочарованы, — говорит учившийся в Москве радиобиолог НАСА и ведущий научный сотрудник подразделения космической биологии центра Эймса Юрий Грико. — Когда в 1957 году в космос полетел спутник, мое поколение ликовало и радовалось. Мы верили, что полетим на Марс уже в 20-м веке. Но…на дворе 21-й век, а на Марс мы так и не полетели. У таких людей как я возникает чувство личной обиды, так как мы ожидали, что продвинемся намного дальше, чем сейчас».
Грико признает, что исследования по снижению обмена веществ в настоящее время находятся в подвешенном состоянии. На работу в НАСА он пришел в 2005 году, а до этого пять лет трудился в фирме биотехнологий Clearant, Inc., где при помощи ионизирующего излучения блокировал активность болезнетворных микроорганизмов в лечебных препаратах крови, в органах для пересадки и в биопрепаратах. Затем космическое агентство пригласило Грико для проведения исследований по защите астронавтов от космической радиации. Оказалось, что замедление обмена веществ это один из самых эффективных механизмов, подаренных нам природой.
Когда животные впадают в спячку, их организм переносит радиацию без существенного вреда для клеток. Грико считает, что снижение метаболизма ведет к уменьшению ущерба от радиации, поскольку биохимические процессы при этом замедляются, а оксидативный стресс ослабевает. Гипоксия, или пониженное содержание кислорода в крови и ткани, это одно из возможных объяснений эффекта защиты от радиации. При гипоксии сокращается образование свободных радикалов кислорода и гидроксильных радикалов. Поскольку ионизирующее излучение высвобождает свободные радикалы, вызывая повреждение клеток, замедление обмена веществ и снижение потребления кислорода действуют в противоположном направлении. Эти процессы мешают гибели нормальных клеток и продлевают жизнь здоровых клеток. Такой защитный эффект выражен намного отчетливее при более низкой температуре.
Грико считает, что спячка может также защищать животных от атрофии мышц и костей, которая обычно наступает в условиях невесомости. По его словам, нормально питающийся человек, проведя на койке 90 дней, теряет более половины своей мышечной силы. Но медведь, который ничего не ест и спит в своей берлоге примерно столько же времени или чуть дольше, теряет только 25% своей мышечной силы, и у него нет никаких признаков потери костной массы. Ученый отмечает, что впадающих в спячку животных, таких как черепахи и сумчатые мыши, не отправляли в космос уже десятки лет.
НАСА ответила отказом на его просьбу профинансировать космические эксперименты с впадающими в спячку животными. Сегодня научная работа Грико ограничена анализом проведенных исследований по вопросам спячки, а еще он ведет собственные лабораторные исследования, изучая стазис у мышей, улиток и пиявок. Ученый предложил организовать в 2015 году международную конференцию по торпору, пригласив на нее ведущих мировых специалистов, и обсудить вопрос о том, какое применение спячка может найти в открытом космосе. НАСА отказалась ее профинансировать, однако Грико еще надеется собрать необходимые деньги.
«Существуют значительные препятствия на пути изучения торпора, хотя без этого мы не можем всерьез говорить о дальних космических полетах», — говорит бывший астронавт НАСА и командир экипажа МКС Лерой Чиао (Leroy Chiao), проведший на орбите 193 дня с октября 2004 по апрель 2005 года. Исследования животные это особенно затруднительная тема, потому что НАСА в прошлом подвергали острой критике защитники животных. «Даже исследования на простых приматах люди воспринимают в штыки», — отмечает Чиао.
Решение — в двух планетах
Руководитель программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) Джейсон Дерлет (Jason Derleth) видит основания для надежды. Под его руководством эта программа с 2013 года вручила два гранта на инновации, поддержав детальные планы одной компании по созданию промежуточного жилища-лаборатории на Марсе с использованием методов искусственной спячки. Ведущая компания этого проекта SpaceWorks Enterprises является аэрокосмическим проектировщиком и подрядчиком НАСА и Министерства обороны. Расположена она в Данвуди, штат Джорджия, в 30 километрах от Атланты. Компания участвовала в создании формата малых искусственных спутников Земли CubeSat. Но именно торпор привлек особое внимание президента и главного инженера этой фирмы Джона Брэдфорда (John Bradford).
«Я 15 лет задаю себе вопрос о том, как спроектировать материалы, конструкции и двигательные установки, которые позволят полететь на Марс и на его спутники», — говорит Брэдфорд. Он доктор наук и инженер авиационно-космической отрасли. Брэдфорд руководил несколькими проектами НАСА, Агентства перспективного планирования научно-исследовательских работ Министерства обороны США и Научно-исследовательской лаборатории ВВС по созданию военных космопланов. Он также был консультантом фильма «Пассажиры» из жанра научной фантастики, который вышел в 2016 году. Там межпланетные переселенцы, которых играют Дженнифер Лоуренс и Крис Прэтт, пробуждаются от искусственного сна раньше времени. «Мы больше не снимаем про миссию «Аполлон», — объясняет Брэдфорд. — Никаких флагов и отпечатков ног. Мы должны стать двухпланетным видом».
Инженерно-медицинская команда Брэдфорда использовала первый грант от Innovative Advanced Concepts, полученный в 2013 году, на проектирование модуля компактного проживания в условиях невесомости из жестких конструкций, взяв за основу жилой модуль МКС. В этом космическом доме были предусмотрены системы замкнутого цикла по производству кислорода и воды, прямой доступ к взлетно-посадочному модулю для высадки на Марсе, а также комплекс жизнеобеспечения на шестерых человек, которые должны были погрузиться в состояние торпора на все время полета (от шести до девяти месяцев).
Предлагаемая методика искусственного погружения в спячку основана на тех приемах, которыми пользуются хирурги, чтобы вызвать у пациента гипотермию. Например, охлаждающий газ азот можно подавать в организм астронавта через носовую трубку, понижая температуру мозга и тела до 31 градуса. Этого достаточно для поддержания спячки, но при этом не переохлаждается сердце и отсутствует риск иных осложнений. При охлаждении снижается свертываемость крови, отмечает Тишерман. Он также заметил, что у пациентов, которых на двое и больше суток подвергают умеренной гипотермии (33 градуса), чаще случаются инфекции, чем у неохлажденных людей.
В космическом доме SpaceWorks Enterprises модульные механические манипуляторы запрограммированы таким образом, чтобы выполнять рутинную домашнюю работу, давать нагрузку конечностям астронавтов, проверять датчики на теле, опорожнять емкости с мочой и контролировать подачу питательных веществ. Роботы должны подавать электрические импульсы на мышцы астронавтов, поддерживая их в тонусе, а также вводить успокоительные средства для подавления естественной реакции дрожи. Астронавты также должны получать полное парентеральное питание с такими веществами как электролит, Д-глюкоза, липиды, витамины и так далее. В организм они подаются с жидкостью через катетер, который вставляется в грудную клетку или в бедро. В экспериментальном модуле были созданы запасы полного парентерального питания на 180 дней. Но если полет на Марс продлится дольше, в модуле можно создать запас питания еще на 500 дней.
В целом компании SpaceWork удалось снизить общую массу модуля компактного проживания до 19,9 тонны, включая потребляемые предметы снабжения и расходные материалы (вес для низкой околоземной орбиты). Для сравнения: жилой модуль НАСА TransHab вместе с запасами и расходными материалами весит 41,9 тонны. Это на 52% больше, чем у SpaceWork. По сравнению с модулем НАСА SpaceWork удалось уменьшить общий вес запасов на 70%.
Руководство программы NIAC было заинтриговано. «SpaceWorks сделала интересное предложение, — говорит Дерлет. — Люди изучали спячку в медицинских целях. Но насколько нам известно, никто в настоящее время не осуществляет конструктивную проработку применения гипотермии или торпора в космических полетах».
В 2013 году руководство NIAC предоставило SpaceWorks первую часть гранта в размере 100 тысяч долларов на разработку примерной платформы для осуществления исследовательских полетов в состоянии искусственного сна на Марс и его спутники. Экипаж должен был включать от четырех до восьми человек. Однако космическое агентство воспротивилось предложению о том, чтобы погрузить в искусственный сон всех членов экипажа на весь срок полета. А вдруг будут медицинские осложнения или сбои в работе космического корабля? Как много времени пройдет до тех пор, пока астронавты не начнут страдать от психологического и физического ущерба? Что, если осложнения на борту потребуют их досрочного пробуждения? И как насчет постепенного и медленного пробуждения и согревания организма при выводе астронавта из спячки?
Эти вопросы заставили коллектив SpaceWorks вернуться к работе. Они сконструировали отсек для пребывания экипажа в состоянии искусственного сна, предусмотрев при этом, что несколько астронавтов будут по очереди бодрствовать, чтобы пилотировать корабль и проводить необходимые работы (как в «Космической одиссее», где два члена экипажа направлявшегося к Юпитеру корабля бодрствовали, в то время как остальные находились в искусственной спячке).
Команда Брэдфорда пошла дальше. Спроектировав три взаимосвязанных жилых модуля для 100 пассажиров-переселенцев (которые должны заселить Марс), она создала космический корабль с жилым отсеком, который абсолютно не похож на все то, что планировала НАСА. Отсек SpaceWorks для переселенцев включает два компактных вращающихся жилых модуля, в каждом из которых находятся 48 пассажиров в состоянии торпора. Вращение с разной скоростью создает искусственную силу притяжения, которая препятствует потере костной массы.
Но у команды Брэдфорда было еще одно, более смелое предложение. В отдельном жилом модуле она решила разместить четверых дежурных астронавтов, которые должны обслуживать корабль и экипаж на всем протяжении полета. Пока один спит, трое работают, поддерживая таким образом свои силы.
«Осуществляя ротацию спящего экипажа и пробуждая некоторых астронавтов для несения дежурства, мы получаем больше преимуществ, чем тогда, когда все астронавты пребывают полгода в спячке», — подчеркивает Брэдфорд. Космический корабль с поселенцами в состоянии торпора будет легче, что позволит намного увеличить его скорость, сократить время полета, а возможно также, обеспечить более надежную защиту от радиации благодаря замедлению обмена веществ. Далее, говорит Брэдфорд, спящие астронавты не будут испытывать воздушную болезнь укачивания, которая является общей проблемой для обитателей МКС.
Медвежья спячка
Но каковы будут ощущения от торпора в космическом пространстве? Нет, речь не идет о замораживании до смерти в криогенной установке с последующим оживлением, говорит акушер-гинеколог и консультант SpaceWorks Даг Ток (Doug Talk), который при помощи терапевтической гипотермии лечит детей с кислородным голоданием. «У криогеники здесь успех нулевой, — объясняет он. — Человеческое тело не предназначено для заморозки; оно состоит в основном из воды, а когда вода увеличивается в объеме [это происходит при ее замерзании], это приводит к разрушению клеток».
Скорее, спячка у астронавтов будет наподобие комы. Это нечто среднее между сном без сновидений и полубессознательным состоянием. «У пациентов в коме существуют циклы активности головного мозга от кажущегося бодрствования до глубокого сна без сновидений», — объясняет Ток. Хотя пациенты в коме не могут шевелиться, их мозг сохраняет активность и даже реагирует на внешние раздражители, включая речевые команды.
Медведи в состоянии спячки испытывают нечто подобное. Температура тела у них снижается всего на несколько градусов (как при умеренной гипотермии у человека), а обмен веществ сокращается на 75%. Медведи в северном климате могут пребывать в спячке семь — восемь месяцев, и при этом ничего не едят и не пьют; а беременные самки производят на свет потомство и выкармливают его даже в состоянии спячки.
«Люди в состоянии торпора будут вести себя как медведи, — высказывает свое предположение Ток. — У них будут циклы от бодрствования до глубокого сна без сновидений. И подобно медведям, в момент пробуждения у них будут признаки недосыпания».
В мае 2016 года руководство NIAC утвердило второй этап проекта SpaceWorks, на сей раз выделив ей 250 000 долларов на продолжение инженерных изысканий, а также оперативных и медицинских исследований. «Проекты первого этапа доказали, что наши замыслы вполне реальны, — говорит Дерлет. — Мы рады, что доктор Брэдфорд добивается успехов».
Команда SpaceWorks предложила провести некоторые конструктивные доработки жилого модуля, а также эксперимент с искусственным сном сроком две-три недели с участием нескольких здоровых свиней. Свиньи, как и человек, в естественной среде не впадают в спячку, а поэтому их физиологическая реакция на искусственный сон лучше поможет понять, чего ждать людям от торпора, чем опыты на мышах и улитках. Но по словам Дерлета, правила НАСА запрещают финансировать исследования на свиньях.
Поэтому SpaceWorks вышла с альтернативным предложением: всесторонне изучить уже проведенные и проводимые эксперименты по подавлению метаболизма, чтобы на этой основе создать программу действий на ближайшую перспективу по разработке необходимых технологий, которые позволят перейти к испытаниям на человеке, включая более систематизированные исследования на животных. Этим летом NIAC должна провести промежуточный обзор работы SpaceWorks и принять решение, выделять ей или нет очередное финансирование на 250 тысяч долларов.
«Мы по-прежнему верим в необходимость исследований на живых существах, чтобы развивать технологии торпора и применять их в течение более длительного срока, — написал учредитель и генеральный директор SpaceWorks Джон Олдс (John Olds). — А для этого шага может понадобиться участие частных спонсоров».
Кто бы ни оплачивал эту работу, проводить опыты на животных будет трудно, потому что это вызывает вопросы этического характера.
«Я думаю, НАСА права: действовать надо медленно и постепенно», — говорит Артур Каплан (Arthur Caplan), работающий директором отдела медицинской этики в медицинском центре Нью-Йоркского университета. Хотя многие с энтузиазмом смотрят на перспективы искусственного сна во время длительных космических полетов, НАСА не нужны дополнительные неприятности, которые ей могут доставить защитники животных, считает он.
«Свиньи по своей физиологии довольно схожи с человеком, а поэтому вполне разумно использовать их для экспериментов, — говорит Каплан. — А критикам можно сказать следующее: количество свиней, которые будут привлечены к исследованиям такого рода, будет меньше, чем среднестатистический американец съедает за неделю на завтрак».
Человеческий фактор
В научно-фантастических фильмах и книгах торпор идеализируется и описывается в романтическом духе, говорит Каплан. Они создают впечатление, что человек без проблем сможет входить и выходить из этого похожего на кому состояния. Но реальность может оказаться иной.
По мнению Каплана, первые эксперименты будут ставить с участием весьма необычных людей — скорее всего, это будут летчики-испытатели. «Эти люди рискуют жизнью ежедневно; они понимают физиологические опасности, потому что испытывают самолеты и знают, что многие их коллеги погибли. Астронавты рассказывали мне, что они готовы участвовать в любом эксперименте, лишь бы полететь в космос. Наша задача — сдерживать их», — говорит он.
Эксперименты с участием человека станут беспрецедентным шагом. Никто и никогда не использовал гипотермию для замедления обмена веществ у людей, которые не больны и не ранены, а тем более у исключительно здоровых астронавтов.
«У нас есть очень много здоровых людей, которые изъявили желание участвовать в длительных экспериментах с искусственным сном, — говорит Ток. — Существует сдерживаемый спрос на людей, которые готовы отключиться от жизни на шесть месяцев. Я уверен, что органы здравоохранения это не одобрят».
Между тем, Ток пригласил в исследовательский коллектив SpaceWorks двух специалистов по терапевтической гипотермии: медицинского директора неврологического отделения интенсивной терапии из клиники Майо Алехандро Рабинштейна (Alejandro Rabinstein) и нейробиолога Келли Дрю (Kelly Drew), которая работает в Фэрбанксе в Аляскинском университете, специализируясь на спячке животных. Дрю вместе с другими учеными Института арктической биологии при Аляскинском университете изучает закономерности спячки теплокровных животных, таких как ежи, берингийские суслики и медведи. Они надеются разгадать загадку состояния здоровой спячки, а также те сигналы мозга, которые ее вызывают, полагая, что это поможет астронавтам адаптироваться без побочных эффектов.
Например, у берингийского суслика (евражки) зимой температура тела понижается до нуля градусов. Ни один ученый точно не знает, что включает механизм зимней спячки. Правда, существует предположение, что особый мозговой и мышечный рецептор — аденозиновый рецептор А1 — приводит к понижению температуры тела суслика и вызывает у него сон, от которого он пробуждается спустя восемь месяцев с минимальной потерей костной и мышечной массы.
«Аденозин это нейромодулятор, который играет определенную роль в стимуляции сна и снижении возбудимости мозга, — говорит Дрю. — Он присутствует повсеместно в головном мозге животных». Она вводила в спячку евражек при помощи препарата, стимулирующего их аденозиновые рецепторы А1. Дрю также может выводить сусликов из спячки, используя для этого другой препарат, который блокирует эти рецепторы.
Но сигнальный каскад и набор генов у человека гораздо сложнее, и расшифровать его очень трудно. Задачу усложняет то, что впадающие в спячку животные спят по-разному.
Единственный примат, который впадает в спячку, это мадагаскарский карликовый лемур, который проводит в состоянии торпора восемь месяцев в году, в основном в жаркую погоду. Живет он за счет жировых отложений в хвосте. Снижение обмена веществ у этого животного не требует понижения температуры тела.
Между тем, Рабинштейн, планирующий провести анализ мягкой гипотермии для введения человека в состояние торпора, говорит, что методы, используемые в интенсивной терапии в космосе, могут оказаться не столь надежными.
«Тот факт, что маленькие дети «тонут» в ледяной воде, а потом приходят в себя, весьма примечателен, и он вселяет в нас надежду, — говорит он. — Но можем ли мы применить наши знания [глубокой гипотермии] для создания более мягкой гипотермии, чтобы люди могли находиться в таком состоянии намного дольше без пагубных последствий, без психологического и физиологического стресса? Это предстоит выяснить, но мы думаем, что шанс есть».
