Космические путешествия к отдаленным планетам, таких как Марс, ставят перед учеными сложнейшие задачи по сохранению здоровья экипажа в условиях жесткой радиации и невесомости. В специальном выпуске подкаста StarTalk известный астрофизик Нил Деграсс Тайсон вместе с коллегами обсудил перспективы использования анабиоза для межпланетных перелетов. Главным гостем программы стал старший физиолог компании Fauna Bio Райан Спрэнгер, который рассказал, как биологические секреты спячки сусликов и лемуров могут помочь открыть технологию безопасного сна для будущих поколений астронавтов.
💤 Что такое торпор и чем он отличается от спячки? 2:31
В научной среде принято разделять понятия, которые обыватели часто считают синонимами. Как объяснил доктор Райан Спрэнгер, торпор — это непосредственное состояние биофизиологического и нейрофизиологического угнетения, при котором у организма радикально снижаются уровень метаболизма и температура тела. Термином же «спячка» (гибернация) ученые называют конкретный сезон года, в течение которого животные многократно используют торпор для выживания.
Забавно, что международные конференции по гибернации проводятся строго раз в четыре года — соведущий Чак Найс в шутку предположил, что ученые просто проводят все время между ними в спячке. Однако Спрэнгер пояснил, что сбор данных занимает много времени из-за сезонности явления, хотя в последнее время сообщество решило сократить этот интервал: выяснилось, что спячка свойственна не только обитателям холодных регионов, но и животным в теплом климате.
Главной эволюционной причиной возникновения торпора является жесткий дефицит ресурсов, таких как пища и незамерзшая вода. По словам физиолога, вместо того чтобы пытаться увеличить запасы (снабжение), некоторые млекопитающие в процессе эволюции предпочли радикально снизить свои потребности (спрос), отключая активный метаболизм.
Соведущий Гэри О’Рейли отметил, что в условиях глобального изменения климата изучение этих механизмов становится критически важным, поскольку поведение традиционных «холодолюбивых» хищников, вроде медведей, начинает меняться из-за отсутствия замерзания водоемов и антропогенного давления.
🔥 Уроки выживания: от австралийских пожаров до аллигаторов 7:07
Способность погружаться в торпор дает животным поразительную устойчивость к катаклизмам. Райан Спрэнгер привел в пример Южное полушарие и Австралию, где после опустошительных лесных пожаров местная фауна массово уходит в торпор. Это позволяет им растянуть внутренние ресурсы организма на месяцы, дожидаясь, пока выжженная земля покроется первой зеленью и появятся насекомые.
Нил Деграсс Тайсон напомнил, что хладнокровные животные, например, аллигаторы, изначально тратят ничтожно мало энергии, так как их температура зависит от окружающей среды, и они способны голодать до года. Для теплокровных существ поддержание стабильной температуры тела — это колоссальная энергетическая статья расходов.
Известный астрофизик наглядно объяснил разницу между тепловой и кинетической энергией:
«Организм тратит огромное количество калорий просто на тепловое существование. Вы легко сожжете калории от съеденного кекса, просто неподвижно сидя перед телевизором. Но если вы попытаетесь сжечь тот же кекс кинетически на беговой дорожке, вам придется тяжело бежать почти целый час».
Именно поэтому отключение внутреннего «обогревателя» в режиме торпора позволяет грызунам безопасно проводить в таком состоянии до девяти месяцев в году.
🐿️ Медицинские секреты тринадцатилинейного суслика 10:53
Доктор Спрэнгер представляет биотехнологическую компанию Fauna Bio, которую основали три женщины-ученых — Кэти, Линда и Эшли. Проект базируется на поиске лекарств для человека через изучение животных с экстремальной физиологией, способных противостоять опасным заболеваниям. Основным модельным организмом в их лаборатории выступает 13-линейный суслик.
Этот вид грызунов обладает уникальными особенностями, которые могут совершить революцию в медицине:
- Обратимый сахарный диабет: перед началом зимы суслик увеличивает массу своего тела более чем на 100% исключительно за счет жировой ткани (например, со 100 граммов до 250). В этот момент его организм становится абсолютно резистентным к инсулину. Однако к весне, без каких-либо лекарств, суслик полностью обращает этот процесс вспять и возвращается к здоровому метаболизму.
- Защита от ишемии: животное не страдает от реперфузионных повреждений тканей, которые происходят у людей после инсультов или тяжелых травм при резком восстановлении кровотока и притока кислорода.
- Отсутствие мышечной атрофии: в отличие от человека, у которого после пары месяцев в гипсе мышцы превращаются в «тряпку», суслики выходят из многомесячной спячки с сохранением плотности мышц.
Обычно при голодании человеческий организм начинает в первую очередь сжигать мышечный белок. Суслики же расходуют только жировую ткань. Райан Спрэнгер поделился важной новостью: Fauna Bio уже подписала соглашение о стратегическом партнерстве с фармакологическим гигантом Eli Lilly, чтобы использовать эти механизмы для создания принципиально новых лекарств против ожирения. Кроме того, ученый упомянул иглистую мышь, которая способна полностью регенерировать поврежденные участки кожи и даже нервную ткань без образования рубцов.
☢️ Радиационный щит: загадка пятидесятых годов 15:49
Одним из самых удивительных свойств торпора является защита от ионизирующего излучения. Спрэнгер рассказал, что первые подобные эксперименты были проведены еще в 1951 году. Ученые облучали спящих животных огромными дозами гамма-радиации, и те демонстрировали феноменальную выживаемость по сравнению с обычными лабораторными крысами, особенно если в момент облучения находились глубоко в торпоре.
По мнению исследователей, этот эффект носит пассивный эволюционный характер и связан с активными формами кислорода (АФК). Когда космическое или гамма-излучение попадает в живые ткани, оно разрушает молекулы воды и кислорода, порождая АФК, которые вызывают лавинообразное повреждение клеток.
В состоянии искусственного или естественного торпора защита срабатывает благодаря следующим факторам:
- Радикально снижается митохондриальная функция и метаболизм.
- В тканях падает уровень свободной воды и кислорода, то есть радиации физически «не с чем» взаимодействовать для создания опасных радикалов.
- Организм спящих животных естественным образом активирует мощную выработку внутренних антиоксидантов.
Нил Тайсон пошутил, что не хотел бы увидеть разозленного зеленого медведя, превратившегося в Халка под воздействием гамма-лучей. Впрочем, Спрэнгер поспешил успокоить ведущих, заверив, что мутаций не происходит, а обычные древесные белки, в отличие от сусликов, не имеют такой защиты, поскольку зимой не погружаются в торпор, а лишь прячутся в дуплах и питаются запасами орехов.
🧠 Разблокировка генов и приматы Мадагаскара 20:39
Для нужд космических программ NASA, планирующих пилотируемые полеты на Марс (которые займут 9 месяцев в одну сторону, 9 месяцев обратно и до двух лет пребывания на планете), технологии торпора жизненно необходимы. Программа NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) выдала Fauna Bio грант на разработку концепта под названием STASH (Torpor in Animals for Space Health). Цель проекта — создать установку, которая позволит впервые в истории протестировать спячку млекопитающих в условиях реального космоса, чтобы понять, работает ли этот механизм в невесомости.
Чтобы приблизить технологию к человеку, ученые обратили внимание на наших близких родственников в древе эволюции. Единственным известным приматом, способным впадать в глубокий торпор, является толстохвостый лемур из Мадагаскара. Он погружается в анабиоз во время жестоких периодов засухи.
Райан Спрэнгер считает, что поскольку этот механизм развился у приматов, человечество, скорее всего, разделяет те же самые участки ДНК. Прорывная идея состоит в том, что людям не понадобятся методы генетической инженерии (сплайсинг генов) — достаточно будет лишь «включить» или разблокировать уже имеющийся скрытый эволюционный код.
В состоянии полного анабиоза мадагаскарские лемуры демонстрируют абсолютное прекращение выделений: они не едят, не пьют, не испражняются и не мочатся, виртуозно перерабатывая воду внутри тела за счет измененной функции почек. При этом кора головного мозга полностью отключается, а жизнедеятельность поддерживают только ствол мозга (управляющий замедленным сердцебиением и дыханием) и гипоталамус, регулирующий температуру. Ткани этих животных продолжают функционировать при температуре 4°C, что у обычного человека вызвало бы мгновенный отказ нейронов.
📊 Математика анабиоза и риски «перезагрузки» 24:41
Количественные показатели торпора поражают воображение. По словам Спрэнгера, в состоянии глубокого анабиоза уровень метаболизма падает более чем на 99%. Если базовые суточные потребности взрослого человека составляют около 2200–2400 килокалорий, то в торпоре организму потребуется всего лишь около 20 калорий, а в некоторых случаях значение может опускаться до единичных цифр в день.
За последние 10 лет ученые научились искусственно вводить в торпороподобное состояние даже тех животных, которые генетически к этому не предрасположены, например, лабораторных крыс, воздействуя на их гипоталамус химическими веществами. С человеком такой трюк сложнее: если просто забрать у людей еду, они впадут в состояние ярости и голодного гнева (эффект «hangry»). Поэтому для людей потребуется исключительно медикаментозное введение в анабиоз.
Самым опасным и физиологически тяжелым этапом спячки ученый считает процесс пробуждения, или «перезагрузки» организма. В этот момент все системы должны включаться строго синхронно:
- Сердце не должно качать кровь слишком быстро, пока периферийные сосуды еще не прогрелись.
- Легкие не должны раздуваться слишком сильно в холодном состоянии, иначе существует риск разорвать легочные альвеолы.
У мелких грызунов процесс согревания занимает от одного до двух часов. Чак Найс вспомнил знаменитую сцену из фильма «Остин Пауэрс», где главный герой после разморозки непрерывно мочился несколько минут. Спрэнгер со смехом опроверг этот киномиф, объяснив, что из-за сниженного метаболизма мочевой пузырь к моменту пробуждения остается практически пустым.
🚀 Логистика космического сна и марсианские перспективы 32:42
По прогнозам доктора Спрэнгера, реальное погружение человека в анабиоз станет возможным примерно через 10–15 лет. В настоящее время лаборатории, финансируемые NASA, уже делают первые шаги, пытаясь с помощью химических соединений углубить состояние метаболического спада человека во время обычного сна. Главная сложность — понять, куда именно в гипоталамусе нужно подключить условные «кабели зажигания», чтобы запускать процесс безопасно и контролируемо.
Еще один барьер — удержание мышечной массы. В торпоре суслики снижают пути распада белка и одновременно ускоряют пути его синтеза, умудряясь даже наращивать новые мышечные волокна без движения. Космические EMS-стимуляторы из телемагазинов здесь не помогут. Сейчас астронавты на МКС вынуждены тратить часы на тяжелые тренировки с эластичными жгутами и пружинами, чтобы противостоять микрогравитации.
Что касается логистики внутри корабля, то Спрэнгер считает, что астронавтам не понадобятся мягкие матрасы из рекламы (ведь в невесомости они бесполезны), а будут нужны изолированные капсулы-поды. Кислород из-за низкого метаболизма станет второстепенной проблемой, а вот удаление и утилизация углекислого газа ($CO_2$) потребует продвинутых систем фильтрации.
Кроме того, человечеству придется разгадать загадку периодических пробуждений. Суслики не спят беспрерывно 9 месяцев: каждые 20 дней они спонтанно просыпаются на 12–24 часа. Удивительно, но именно в эти короткие окна они ложатся спать в привычном понимании, чтобы удовлетворить неврологическую потребность мозга в фазах сна, которой нет в торпоре.
По мнению ученого, человеческая формула спячки будет отличаться — возможно, режим составит 4 дня анабиоза и 3 дня бодрствования. В этом плане люди могут оказаться ближе к медведям, которые не имеют циклов промежуточных пробуждений и способны спать непосредственно внутри своего умеренного торпора. Итоговые тесты в глубоком космосе за пределами низкой околоземной орбиты, где отсутствует защитное магнитное поле Земли, покажут, сможет ли контролируемый анабиоз стать полноценным спасением от космической радиации.
