Время спать: когда космонавты смогут впасть в спячку, чтобы долететь до Проксимы Центавра

В умеренных и приполярных широтах зима отнюдь не шутка. Для поддержания нормальной температуры телу требуется куда больше калорий, а добывать пищу при этом становится намного сложнее. Некоторые животные могут перетерпеть тяжелое время, сохраняя активность — питаясь скудной растительностью, как лоси и зайцы, или охотясь, как лисы и волки. Большинство видов птиц мигрируют в более приветливые края. Остальным же приходится искать укромное место, чтобы залечь там в спячку.

Всем известен пример бурых медведей, но для некрупных млекопитающих такой подход даже более эффективен. По статистике, у представителей видов, которые впадают в зимнюю спячку, шансы дождаться весны в 4-5 раз выше, чем у животных, сравнимых по размерам, но остающихся подвижными круглый год.

Дольше у них и средняя продолжительность жизни: все те месяцы, что зверь проводит в глубоком оцепенении, процессы старения в его организме заторможены так же, как и любые другие.

Термин «спячка» не должен вводить нас в заблуждение: такое состояние мало похоже на обычный сон, при котором тело и мозг сохраняют довольно высокую активность, так что в любой момент готовы пробудиться и вернуться к повседневным делам, словно автомобиль, ждущий водителя на «нейтралке». Спячка, или диапауза, — это почти выключенный двигатель: в таком состоянии отмечаются снижение темпе ратуры, замедление дыхание и пульса, глубокое торможение всего метаболизма на грани жизни и смерти.

Это исключительно древний механизм сбережения энергии, который встречается у представителей многих групп животных, включая даже некоторых приматов. Одни практикуют регулярную зимнюю спячку (гибернацию), другие — обитатели тропиков — летнюю эстивацию, помогающую им переждать самый жаркий и безводный сезон. Третьи, как некоторые лягушки, «сбегают» в такое состояние по мере необходимости, например при наступлении засухи.

Четвертые практикуют торпор — ежедневную кратковременную спячку. Скажем, колибри, энергетические потребности которых почти неподъемны для их крошечного тела, во время бодрствования вынуждены питаться практически непрерывно и в пересчете на массу человека потребляют около 150 тысяч ккал в сутки. За время ночного покоя они умерли бы от голода, если бы не умели останавливаться, впадая в глубокий торпор.

Для теплокровных млекопитающих возможность сохранять низкую температуру тела — ключевой фактор экономии: по некоторым оценкам, каждый градус — это уменьшение расхода энергии на 6%. И хотя для медведей (видимо, из-за их размеров) сильное охлаждение нехарактерно, другие животные остывают довольно глубоко. Так, температура тела арктических сусликов во время спячки падает с обычных 37 °С до рекордных –3 °C (метаболизм замедляется на 99%) — ученые до сих пор не могут понять, каким образом вода в их организме не замерзает и не повреждает клетки и ткани кристаллами льда. Это, конечно, уникальный случай, но снижение температуры до нескольких градусов выше нуля отнюдь не редкость.

Параллельно тормозится ритм сердцебиения и дыхания. Например, у карликовых лемуров пульс с 300 ударов в минуту замедляется до шести, а каждый вдох-выдох длится минут по десять. Многие пресноводные черепахи, зимуя на дне затянутых льдом водоемов, даже не всплывают на поверхность подышать, а довольствуются кислородом, который проникает через кожу и слизистую клоаки. Такое тотальное торможение позволяет организму выживать на запасах, накопленных перед гибернацией.

Те же медведи ничего не едят (и, соответственно, не выделяют) несколько месяцев, полностью полагаясь на бурую жировую ткань, которая может составлять около трети всей их массы. Мало того что жир сам по себе служит отличным теплоизолятором, его утилизация клетками подогревает изнутри едва живое тело. Спящие животные пребывают в глубокой отключке.

Впрочем, они изредка «просыпаются», хотя и не до конца: температура ненадолго возвращается к нормальной, пульс, давление и дыхание могут подскакивать даже выше обычной частоты, тело дрожит, а мозг демонстрирует активность, характерную для обычного сна. Такие «просыпания» — краткие переходы от спячки к сну — присущи не только сусликам, а всем млекопитающим в гибернации, хотя для чего они необходимы, неизвестно. Возможно, организму время от времени требуется прогреться, чтобы поддержать тонус, взбодрить иммунитет и очистить мозг от скопившихся отходов метаболизма.

На сегодняшний день о механизмах диапаузы известно поразительно мало. Предполагается, что ключевую роль в ее регуляции играет гипоталамус — область мозга, которая контролирует и температуру, и дыхание, и сердцебиение. Но какие именно сигналы, нейромедиаторы и гормоны в этом участвуют, неясно. Плохо понятно, как организм вообще переносит такое непростое состояние без тяжелых последствий.

Эксперты отмечают, что многие процессы в мозге животного в спячке поразительно напоминают происходящее при болезни Альцгеймера, а изменения в составе крови похожи на диабетические, что ничуть не мешает зверю весной полностью вернуться к норме. У медведей, благодаря особой регуляции соответствующих генов, не происходит даже деградации костей и мускулов, несмотря на месяцы неподвижности. Человеку остается лишь мечтать о подобных возможностях.

Наш вид развивался в сравнительно мягких климатических условиях, и нужды в гибернации попросту не возникало. Да и за пределами родной Африки изобретательный мозг позволял людям переживать самые холодные и сухие сезоны куда более эффективно, чем любая спячка, благодаря использованию множества хитроумных инструментов и методов — от одежды и огня до копчения и высушивания пищи.

Однако любители настоящей отключки есть и среди приматов — например, несколько видов лемуров на Мадагаскаре и карликовые лори, обитающие в Юго-Восточной Азии. Значит, у наших общих предков могли иметься соответствующие генетические механизмы, и есть шанс, что они сохранились и у современных людей, но просто отключены за ненадобностью. Нет никаких факторов, которые делали бы гибернацию человека принципиально невозможной: предполагается, что организм заблокировал ее, как излишнюю функцию. А если так, то когда-нибудь мы сможем эту свою суперспособность разблокировать.

В 2006 году японец Мицутака Утикоси получил травму и провел в горах в бессознательном состоянии целых 24 дня; когда его отыскали, температура тела несчастного составляла всего 22 °C. Несмотря на это, Мицутака полностью восстановился, словно его организм в экстремальной ситуации запустил древние механизмы выживания. К охлаждению тела пациента (хотя далеко не такому глубокому) прибегают медики, проводя терапевтическую гипотермию, чтобы замедлить развитие некоторых критических состояний. Но если медведи и суслики впадают в спячку легко и естественно, у человека все гораздо сложнее. Утикоси просто посчастливилось; в клиниках же анестезиологам приходится постоянно отслеживать состояние больного, поддерживая на нужном уровне насыщенность крови кислородом и другие критические показатели.

Но как растянуть такое состояние на долгие недели и месяцы и где у человека та «кнопка», которая могла бы автоматически запустить нужные физиологические изменения? И что делать с нашим крупным и требовательным мозгом? Известно, что за время гибернации у животных происходит синаптическая регрессия, ослабление немалой части связей между нейронами и, как следствие, отмечается утеря некоторых воспоминаний и навыков.

Медведь по весне вдыхает многие запахи как в первый раз и заново обучается их распознавать. Эту проблему придется решить прежде, чем погружать человека в настоящую гибернацию — если, конечно, мы не хотим, чтобы он очнулся с наполовину «очищенным» мозгом и необходимостью осваивать многие элементарные действия и понятия с нуля. Но когда ответы на эти вопросы будут найдены, перед всем человечеством откроются совершенно новые, буквально космические перспективы.

Даже до ближайшей к Земле планетной системы, Проксимы Центавра, требуется преодолеть 4,2 светового года — невероятные по современным меркам 39 трлн км. Даже на кораблях с футуристическими двигателями, которые могут быть созданы в обозримой перспективе, такое путешествие растянется очень надолго, и гибернация может стать одним из способов переждать это время. А заодно существенно сэкономить ресурсы — и не только пищу, но и воду и кислород. Есть даже вероятность, что она дополнительно защитит организм от опасных факторов космического пространства: эксперименты на крысах показали, что в торпоре они менее чувствительны к радиационному повреждению.

По результатам первой фазы работ эксперты компании в очередной раз за ключили, что никаких препятствий к гибернации в человеческой физиологии нет и лишь недостаток знаний и отсутствие подходящих технологий препятствуют использованию такого подхода. Поэтому сейчас в SpaceWorks решили ориентироваться на более скромную цель, вполне достижимую на нынешнем уровне развития: гипотермический сон в течение двух недель. Эксперименты, поставленные китайскими медиками на пациентах с тяжелыми повреждениями мозга, показали, что такая процедура возможна и проходит без осложнений.

Предложенный SpaceWorks проект нацелен на экспедиции, которые вскоре отправятся к Марсу. По расчетам экспертов компании, если во время перелета на дежурстве останется лишь один член экипажа, а остальные пять впадут в спячку, это снизит потребность в полезном объеме обитаемого модуля с 380 кубометров до 40, а расход пищи — с 13 до 4 т.

Стартап даже разработал собственный вариант «торпорного модуля»: для погружения в сон использовался прототип системы RhinoChill, которая охлаждает основание мозга, подавая ледяную жидкость через ноздри. Кроме того, заявлялось, что тонус мускулов будет поддерживаться электростимуляцией, а питательные вещества станут подаваться в жидком виде через трубку. Однако дальше дело не пошло, и проект космической гибернации остался фантастикой.

Вторая фаза работ SpaceWorks была анонсирована в 2016 году, а на 2022-й запланировали ограниченные испытания на людях. Однако с тех пор об этом проекте никто не слышал. Но сама идея не умерла: европейцы из ESA движутся к той же цели. Правда, в отличие от NASA здесь надеются добиться не краткого «холодного сна», а полноценной диапаузы и уже больше 10 лет продолжают биологические эксперименты в данной области. Стратегически подобный подход выглядит куда более перспективным, ведь глубокое понимание физиологических процессов спячки может оказаться полезным не только в космосе.

Если удастся выявить механизмы, которые защищают организм спящих животных от развития диабета, повреждения мозга, скелетной и мышечной атрофии, то появятся новые инструменты для лечения таких болезней у людей. Возможность быстро погружать пациентов в гибернацию позволит безопасно доставить их в клинику, а резкое, но естественное замедление пульса, дыхания и подавление иммунитета, свойственное спячке, облегчит проведение хирургических операций. Если же подобное состояние можно будет вызвать у отдельных органов и тканей, это даст больше времени на их транспортировку для пересадки.

В самой фантастической перспективе гибернация облегчит жизнь не только людям, но и планете в целом. Некоторые футурологи, а также биологи — исследователи спячки вполне серьезно предлагают использовать ее для решения проблемы избыточной нагрузки на Землю. Уже сегодня потребление ресурсов человечеством превышает способность планеты к восстановлению, и чтобы в будущем она не истощилась окончательно, часть людей можно держать в гибернации, возвращая к бодрствованию посменно, как экипаж космического корабля. В глубоком забытьи их тела почти не будут расходовать энергию, потребуют минимума пищи, воды и кислорода. Жители южных регионов смогут во сне пережидать самые некомфортные жаркие месяцы, а северяне — зимние холода, экономя на обогреве и кондиционировании.

За счет регулярной спячки замедлится старение, и срок активной жизни, по некоторым расчетам, вырастет вдвое, причем с продлением всех физиологических функций, вплоть до возможности родить ребенка после 60 лет. Жаль, что пока это только футурология, и до весны придется просто потерпеть.