Den tryggeste måten å reise lange avstander i rommet kan være kunstig dvalemodus.
En dag vil astronauter, som er fylt som brisling i raketter med raketter og flyr til andre planeter, beskyttes mot stråling og romsyke ved en reduksjon i metabolismen i kroppen. De vil dvale i flere måneder som bjørner, og romfartøy vil føre dem gjennom rom og tid. De vil sannsynligvis sove i hvite kokonger, lik kister, som regissører av futuristisk science fiction viser oss i filmer som 2001: A Space Odyssey, Alien og Avatar.
Men astronauter og romkolonister vil sannsynligvis lære en ting eller to av dehydrerte snegler, som kan overleve i over ett år uten å spise noe. Eller i gigantiske pandaer, som lever av bambus med lite kaloriinnhold. Og også i igler som kan overleve i flytende nitrogen; hos barn som falt i isvann og deretter gjenopplivet; i skiløpere begravd i et snøskred, men deretter sakte tilbake til livet fra en drømmeløs tilstand av hypotermi.
Forskere kaller dette fenomenet "forbløffet dvalemodus." En gang i tiden ble en slik torpor, eller torpor, betraktet som noe rart og utlandsk, og ble kalt "ufølsomhet av funksjoner." Nå studeres det seriøst, i håp om å kunne dra nytte av langsiktige romflyvninger.
Denne interessen skyldes delvis fremskritt i kryogen kirurgi, samt ny kunnskap oppnådd i praksis. En slik sak ble rapportert i 1995 i tidsskriftet Prehospital and Disaster Medicine. En fire år gammel gutt falt gjennom is i kaldt vann på en innsjø i Hannover, Tyskland. Redningsmenn trakk ham opp av vannet, men kunne ikke bringe ham til liv på stedet. Guttens elever utvidet seg og hjertet hans stoppet i hele 88 minutter. Da offeret ble brakt til sykehuset, var kroppstemperaturen hans 20 grader, noe som indikerte ekstrem hypotermi.
Etter 20 minutter, da legene begynte å varme guttens brysthule, begynte hjertekammerene å trekke seg sammen. Etter ytterligere ti minutter kom sinusrytmen tilbake til det normale. På to uker kom gutten seg helt og ble utskrevet fra sykehuset. Legene konkluderte med at det iskalde vannet raskt avkjølte kroppen hans til en tilstand av metabolske stupor (torpor), og bevarte alle vitale organer og vev, og reduserte samtidig behovet for oksygen for blodsirkulasjonen. Faktisk reddet kulda livet hans. "Disse typer tilfeller får oss til å tro at veldig dyp hypotermi kan tillate våre pasienter å overleve," skrev Samuel Tisherman, professor i kirurgi ved University of Maryland School of Medicine, i en e-post. - Det viktigste er å avkjøle hjernen enten til blodstrømmen stopper,eller umiddelbart etter stopp. Jo lavere temperatur, jo bedre vil hjernen takle mangelen på blodstrøm."
Terapeutisk hypotermi er godt etablert i kirurgisk praksis. Kjøleeksperimenter begynte på 1960-tallet, hovedsakelig med nyfødte og de med hjerte- og karsykdommer. Nyfødte ble pakket inn i kjølepledd, plassert i is og til og med i drifter for å senke blodsirkulasjonen og redusere oksygenbehovet før hjerteoperasjoner.
I dag bruker leger mild hypotermi (ca. 31 grader) for å behandle visse nyfødte i alvorlige tilfeller, for eksempel for tidlig fødsel eller føtal hypoksi. Barn blir behandlet i avkjølingskapsler i 72 timer, og senker stoffskiftet i en slik grad at oksygenbehovet i vevene blir oppfylt, mens hjernen og andre vitale organer gjenopprettes.
Salgsfremmende video:
På samme måte bruker kirurger kjøling og metabolsk undertrykkelse for å behandle pasienter som lider av fysiske traumer og skader som hjerteinfarkt, hjerneslag, skuddskader, rik blødning og hodeskader som forårsaker hjerneødem. I nødstilfeller kan anestesilegen sette inn et tynt kateterrør i pasientens nese, som leverer avkjølende nitrogen direkte til bunnen av hjernen. I et behandlingseksperiment setter kirurger inn et hjerte-lungemaskinkateter gjennom brystet i aorta, eller gjennom lysken i lårarterien. Disse rørene brukes til å levere kald saltoppløsning for å redusere kroppstemperaturen og erstatte tapt blod. Når traumatologen stopper blødningen, starter hjertelungemaskinen blodstrømmen igjen og pasienten får en blodoverføring.
"Hvis du bruker forkjølelsen raskt nok, før hjertet stopper, vil de vitale organene, og spesielt hjernen, tåle kulden uten blod i noen tid," forklarer Tisherman. Han gjennomfører kliniske studier med en kald saltoppløsning ved en Baltimore Clinic for å hjelpe kritisk skadde pasienter. Tisherman håper å fortsette forskningen i hvert fall til høsten 2018, og kanskje lenger.
Den resulterende hypotermien bremser raskt eller stopper blodsirkulasjonen i omtrent en time. Følgelig avtar behovet for oksygen, og kirurger har tid til å helbrede livstruende sår, hvoretter de kan varme pasienten og føre ham tilbake til livet.
Torpor gåte
I dag henter mange i luftfartssamfunnet håp om medisinsk generert hypotermi og den resulterende nedgangen i metabolismen som en måte å spare plass, vekt, last, drivstoff, mat og depresjon under lange flyreiser til Mars eller fjernere planeter. Forskning i denne retningen er bare begynnelsen. Et problem er rent medisinsk. Hva er den beste måten å sette sunne astronauter i dvalemodus? Det er velkjent om terapeutisk hypotermi på operasjonssalen, men hvordan kan man holde mennesker i det ytre rom kjølig og dvale i flere uker, måneder og til og med år? Dette er et helt uutforsket område. Noen forskere som studerer dvalemodus hos dyr, sier at andre metoder for å undertrykke metabolisme er bedre. Dette er et spesielt kostholdlavfrekvent stråling og til og med bruk av proteiner som induserer dvaletilstand hos dyr som bjørner og beringianske ekorn, fordi de trygt regulerer stoffskiftehastigheten med mulighet for å forlate torpen.
Et annet åpenbart problem er finansiering. Hvor mye penger vil NASA bevilge for å studere den metabolske nedgangen hos dyr og mennesker hvis byrået kutter budsjettet selv for romflyvninger? Tidligere direktør for Ames Research Center i California, Pete Worden, nå administrerende direktør for Breakthrough Starshot-prosjektet, sier at fordi NASA legger stor vekt på syntetisk biologi og overlevelse og funksjon av organismer i uvanlige miljøer som Mars, "hva er dvalemodus vil bli finansiert, det er nesten uunngåelig."
Denne optimismen deles ikke av alle. "Folk er skuffet," sa Yuri Griko, en NASA-trent radiobiolog og ledende forsker i rombiologisk avdeling i Ames Center. - Da en satellitt fløy ut i verdensrommet i 1957, jublet og fryktet min generasjon. Vi trodde at vi ville fly til Mars allerede på 1900-tallet. Men … det er det 21. århundre, og vi fløy aldri til Mars. Mennesker som meg har en følelse av personlig harme, fordi vi forventet å gå mye lenger enn vi er nå."
Griko innrømmer at forskning for å senke metabolismen for tiden er i limbo. Han kom på jobb på NASA i 2005, og før det jobbet han i fem år hos bioteknologifirmaet Clearant, Inc., hvor han brukte ioniserende stråling for å blokkere aktiviteten til patogener i medisinske blodprodukter, i organer for transplantasjon og biologiske produkter. Romfartsbyrået inviterte deretter Griko til å forske for å beskytte astronauter mot romstråling. Det viste seg at å senke metabolismen er en av de mest effektive mekanismene gitt av naturen.
Når dyr går i dvalemodus, bærer kroppen deres stråling uten betydelig skade på cellene. Griko mener at en reduksjon i metabolismen fører til en reduksjon i skader fra stråling, siden biokjemiske prosesser bremses opp, og oksidativt stress er svekket. Hypoksi, eller lave oksygennivåer i blod og vev, er en mulig forklaring på strålingsskjermingseffekten. Med hypoksi reduseres dannelsen av fritt oksygen og hydroksylradikaler. Siden ioniserende stråling frigjør frie radikaler, forårsaker skade på celler, bremser metabolismen og reduserer oksygenforbruket i motsatt retning. Disse prosessene forstyrrer døden av normale celler og forlenger levetiden til sunne celler. Denne beskyttende effekten er mye mer uttalt ved lavere temperaturer.
Griko mener at dvalemodus også kan beskytte dyr mot muskel- og beinatrofi, som vanligvis forekommer i null tyngdekraft. Ifølge ham mister en normalt spiser person, etter å ha tilbrakt 90 dager i sengen, mer enn halvparten av muskelstyrken. Men en bjørn som ikke spiser noe og sover i hiet i omtrent samme tid eller litt lenger, mister bare 25% av muskelstyrken, og den viser ingen tegn til bentap. Forskeren bemerker at dvalende dyr som skilpadder og pungdyr ikke har blitt sendt ut i verdensrommet på flere tiår.
NASA har nektet forespørselen sin om å finansiere romeksperimenter med dvalende dyr. I dag er Grikos vitenskapelige arbeid begrenset til å analysere forskning på dvalemodus, og han driver også sin egen laboratorieforskning og studerer stase hos mus, snegler og igler. Forskeren foreslo å arrangere en internasjonal konferanse om torpor i 2015, invitere ledende verdenseksperter til den og diskutere spørsmålet om hvordan dvalemodus kan finnes i det ytre rom. NASA har nektet å finansiere det, men Griko håper fortsatt å skaffe de nødvendige pengene.
"Det er betydelige hindringer for studiet av torpor, selv om vi uten dette ikke seriøst kan snakke om romflyvninger på lang avstand," sier tidligere NASA-astronaut og ISS-besetningsleder Leroy Chiao, som tilbrakte 193 dager i bane fra oktober 2004 til april 2005. årets. Dyreforskning er et spesielt utfordrende tema fordi NASA har kritisert dyreforkjempere i fortiden. "Selv forskning på primater blir sett på som fiendtlighet av mennesker," bemerker Chiao.
Løsningen er i to planeter
NASAs Innovative Advanced Concepts (NIAC) programleder Jason Derleth ser grunn til håp. Under hans ledelse har programmet tildelt to innovasjonstilskudd siden 2013, som støtter ett selskaps detaljerte planer om å lage et mellomlaboratorium på Mars ved hjelp av kunstige dvaleteknikker. Ledende selskap for dette prosjektet, SpaceWorks Enterprises, er en romfaresdesigner og entreprenør for NASA og Department of Defense. Det ligger i Dunwoody, Georgia, 30 kilometer fra Atlanta. Selskapet deltok i etableringen av CubeSat-formatet for små kunstige jordsatellitter. Men det var selskapet som vakte den spesielle oppmerksomheten til presidenten og sjefingeniøren i dette selskapet, John Bradford (John Bradford).
"Jeg har spurt meg selv i 15 år om hvordan jeg designer materialer, strukturer og fremdriftssystemer som lar oss fly til Mars og dets måner," sier Bradford. Han er doktorgrad og romfartsingeniør. Bradford har ledet flere prosjekter av NASA, det amerikanske forsvarsdepartementet Advanced Research Projects Agency og Air Force Research Laboratory for å bygge militære romfly. Han var også konsulent for science fiction-filmen Passengers, som kom ut i 2016. Der våkner interplanetære nybyggere, spilt av Jennifer Lawrence og Chris Pratt, fra kunstig søvn i forkant. "Vi filmer ikke Apollo-oppdraget lenger," forklarer Bradford. - Ingen flagg og fotavtrykk. Vi må bli en to-planetarisk art."
Bradfords medisinske ingeniørteam benyttet det første tilskuddet til innovative innovative konsepter i 2013 for å designe en kompakt levemodul med null tyngdekraft fra stive strukturer, basert på ISS-boligmodulen. I dette romhuset, et lukket syklus-system for produksjon av oksygen og vann, direkte tilgang til start- og landingsmodulen for landing på Mars, samt et livsstøttekompleks for seks personer som skulle kaste seg ut i en statlig tilstand i hele flytiden (fra seks til ni måneder).
Den foreslåtte teknikken for kunstig dvalemodus er basert på teknikkene som brukes av kirurger for å indusere hypotermi hos en pasient. For eksempel kan kjølevæskenitrogen tilføres en astronaut gjennom et neserør, og senke temperaturen i hjernen og kroppen til 31 grader. Dette er nok til å opprettholde dvalemodus, men samtidig overkjøler ikke hjertet, og det er ingen risiko for andre komplikasjoner. Med avkjøling synker blodproppene, bemerker Tisherman. Han la også merke til at pasienter som er utsatt for moderat hypotermi (33 grader) i to eller flere dager, er mer sannsynlig å ha infeksjoner enn personer som ikke har fått kjøling.
Hos SpaceWorks Enterprises romhjem er modulbaserte mekaniske manipulatorer programmert til å gjøre gjøremål, trene astronauts lemmer, sjekke kroppssensorer, tømme urinbeholdere og overvåke næringstilførsel. Robotene må sende elektriske impulser til astronautenes muskler, holde dem i god form, og også injisere beroligende midler for å undertrykke de naturlige skjelvingene. Astronauter må også motta fullstendig parenteral ernæring med stoffer som elektrolytt, D-glukose, lipider, vitaminer og så videre. De blir tilført kroppen med væske gjennom et kateter som settes inn i brystet eller låret. I den eksperimentelle modulen ble lager av total parenteral ernæring opprettet i 180 dager. Men hvis flyturen til Mars varer lenger,i modulen kan du opprette en matforsyning i ytterligere 500 dager.
Totalt sett var SpaceWork i stand til å redusere den totale vekten av Compact Habitat-modulen til 19,9 tonn, inkludert forbruksvarer og forbruksvarer (vekt for lav jordbane). Til sammenligning veier NASAs TransHab-boenhet, sammen med forsyninger og rekvisita, 41,9 tonn. Dette er 52% mer enn SpaceWork. Sammenlignet med NASAs SpaceWork-modul, har den totale lagervekten blitt redusert med 70%.
NIAC-programledelsen var fascinert. "SpaceWorks kom med et interessant forslag," sier Derlet.”Folk har studert dvalemodus for medisinske formål. Men så vidt vi vet, er det ingen som for øyeblikket gjennomfører en konstruktiv studie av bruken av hypotermi eller torpor i romflyvninger."
I 2013 ga NIAC-ledelsen SpaceWorks den første delen av et tilskudd på $ 100 000 for å utvikle en eksemplarisk plattform for kunstige søvnutforskningsflyvninger til Mars og satellittene. Mannskapet skulle inkludere fire til åtte personer. Imidlertid motsatte romfartsorganet forslaget om å sette alle besetningsmedlemmer i kunstig søvn i hele flyturen. Hva om det vil være medisinske komplikasjoner eller funksjonsfeil i romskipet? Hvor lang tid vil det ta før astronauter begynner å lide psykisk og fysisk skade? Hva hvis komplikasjoner om bord krever at de våkner tidlig? Og hva med den gradvise og sakte oppvåkningen og oppvarmingen av kroppen mens du vekker astronauten fra dvale?
Disse spørsmålene presset SpaceWorks-teamet tilbake til jobb. De designet avdelingen for at mannskapet skulle være i en tilstand av kunstig søvn, forutsatt at flere astronauter ville ta svinger våkne for å pilotere skipet og utføre det nødvendige arbeidet (som i "Space Odyssey", der to besetningsmedlemmer på vei til Jupiter var våkne, mens mens resten var i kunstig dvalemodus).
Bradfords team gikk videre. Ved å designe tre sammenkoblede bo-moduler for 100 fordrevne passasjerer (for å befolke Mars), opprettet hun et romfartøy med et levende rom som er helt ulikt noe NASA hadde planlagt. Den fortrengte bukten SpaceWorks inneholder to kompakte roterende boligenheter, som hver inneholder 48 store passasjerer. Rotasjon i forskjellige hastigheter skaper en kunstig gravitasjonskraft som forhindrer bentap.
Men Bradford-teamet hadde et annet, mer vågalt forslag. I en egen levende modul bestemte hun seg for å plassere fire astronauter på vakt, som skulle betjene skipet og mannskapet under hele flyturen. Mens man sover jobber tre, og opprettholder dermed styrken.
Fly til Mars med SpaceX
"Å rotere det sovende mannskapet og vekke opp noen astronauter for å se på er mer fordelaktig enn å ha alle astronautene i dvale i et halvt år," sier Bradford. Et romskip med nybyggere i en mindre stat vil være lettere, noe som vil øke hastigheten betraktelig, forkorte flytiden og muligens også gi en mer pålitelig beskyttelse mot stråling på grunn av en langsommere metabolisme. Videre, sier Bradford, vil sovende astronauter ikke oppleve bevegelsessyke, noe som er et vanlig problem for ISS-beboere.
Bjørn dvalemodus
Men hva vil være følelsen av torpor i det ytre rom? Nei, dette handler ikke om å fryse i hjel i en kryogen enhet og deretter revitalisere, sier fødselslege-gynekolog og SpaceWorks-konsulent Doug Talk, som bruker terapeutisk hypotermi for å behandle oksygenberøvede barn. "Cryogenics har null suksess her," forklarer han. - Menneskekroppen er ikke ment å fryses; den består hovedsakelig av vann, og når vann øker i volum [dette skjer når det fryser], fører det til ødeleggelse av celler."
Snarere vil astronautene dvale som koma. Dette er en krysning mellom drømmeløs søvn og en halvbevisst tilstand. "Pasienter i koma har sykluser av hjerneaktivitet fra tilsynelatende våkenhet til dyp, drømmeløs søvn," forklarer Tock. Selv om pasienter i koma ikke er i stand til å bevege seg, forblir hjernen deres aktive og reagerer til og med på ytre stimuli, inkludert muntlige kommandoer.
Dvalebjørn opplever noe lignende. Kroppstemperaturen deres synker bare noen få grader (som ved moderat hypotermi hos mennesker), og metabolismen deres reduseres med 75%. Bjørner i nordlige klima kan dvale i syv til åtte måneder uten å spise eller drikke noe; og gravide kvinner føder avkom og fôrer dem selv i dvale.
"Mennesker i torpor vil oppføre seg som bjørner," antyder Tok.”De vil ha sykluser fra våkenhet til dyp drømmeløs søvn. Og som bjørner, når de våkner vil de vise tegn på søvnmangel."
I mai 2016 godkjente NIAC-ledelsen den andre fasen av SpaceWorks-prosjektet, og denne gangen ga den $ 250.000 for å fortsette ingeniørforskning, så vel som operativ og medisinsk forskning. "Fase 1-prosjekter har bevist at visjonen vår er ekte," sier Derlet. "Vi er glade for at Dr. Bradford gjør fremskritt."
SpaceWorks-teamet foreslo noen forbedringer av designen til den levende modulen, samt et eksperiment med kunstig søvn i en periode på to til tre uker med flere sunne griser. Griser, som mennesker, dvaler ikke i sitt naturlige miljø, og derfor vil deres fysiologiske reaksjon på kunstig søvn bedre hjelpe mennesker til å forstå hva de kan forvente av torpor enn eksperimenter med mus og snegler. Men ifølge Derleth forbyr NASA-regler finansiering av forskning på griser.
Derfor kom SpaceWorks med et alternativt forslag: å omfattende studere de allerede gjennomførte og pågående eksperimentene for å undertrykke metabolisme, for på dette grunnlaget å lage et handlingsprogram for en nær fremtid for å utvikle nødvendige teknologier som vil tillate overgang til menneskelige forsøk, inkludert mer systematisk forskning på dyr. I sommer skal NIAC gjennomføre en midlertidig gjennomgang av SpaceWorks og bestemme om de vil bevilge ytterligere 250 000 dollar i finansiering.
"Vi fortsetter å tro på behovet for forskning på levende ting for å utvikle nye teknologier og anvende dem på lang sikt," skrev SpaceWorks grunnlegger og administrerende direktør John Olds. "Og dette trinnet kan kreve deltakelse fra private sponsorer."
Hvem som betaler for dette arbeidet vil være vanskelig å gjennomføre forsøk på dyr fordi det reiser etiske spørsmål.
"Jeg tror NASA har rett i å handle sakte og gradvis," sier Arthur Caplan, direktør for medisinsk etikk ved New York University Medical Center. Mens mange er entusiastiske over løftet om kunstig søvn under utvidede romoppdrag, trenger ikke NASA det ekstra bryet som dyreforkjempere kan få, sa han.
"Griser er ganske like i fysiologi som mennesker, så det er fornuftig å bruke dem til eksperimenter," sier Kaplan. "Og til kritikerne, kan vi si dette: antallet griser som vil bli rekruttert til denne typen forskning vil være mindre enn den gjennomsnittlige amerikaneren spiser i løpet av en uke til frokost."
Menneskelig faktor
I science fiction-filmer og bøker blir torpor idealisert og romantisert, sier Kaplan. De gir inntrykk av at en person lett kan komme inn og forlate denne komalignende tilstanden. Men virkeligheten kan være annerledes.
I følge Kaplan vil de første eksperimentene bli utført med deltakelse av veldig uvanlige mennesker - mest sannsynlig vil dette være testpiloter. “Disse menneskene risikerer livet hver dag; de forstår de fysiologiske farene fordi de tester fly og vet at mange av kollegene deres har omkommet. Astronauter fortalte meg at de er klare til å delta i ethvert eksperiment, bare for å fly ut i verdensrommet. Jobben vår er å inneholde dem, sier han.
Menneskelig eksperimentering vil være et enestående trinn. Ingen har noen gang brukt hypotermi for å bremse metabolismen hos mennesker som ikke er syke eller skadet, mye mindre hos eksepsjonelt sunne astronauter.
"Vi har mange sunne mennesker som har uttrykt et ønske om å delta i langsiktige eksperimenter med kunstig søvn," sier Tok. - Det er en opphentet etterspørsel etter folk som er klare til å koble av livet i et halvt år. Jeg er sikker på at helsemyndighetene ikke vil godkjenne dette."
I mellomtiden har Tok rekruttert to terapeutiske hypotermispesialister til SpaceWorks forskerteam: Alejandro Rabinstein, medisinsk direktør for Neurology Intensive Care Unit ved Mayo Clinic, og nevrovitenskapsmann Kelly Drew, som jobber ved Fairbanks ved University of Alaska, som spesialiserer seg i dvalemodus. dyr. Drew studerer sammen med andre forskere ved University of Alaska Institute of Arctic Biology dvalemønstre til varmblodige dyr som pinnsvin, beringianske ekorn og bjørner. De håper å løse mysteriet med sunn dvalemodus og hjernesignalene som utløser det, og tror at det vil hjelpe astronauter til å tilpasse seg uten bivirkninger.
For eksempel, i den beringiske bakken ekorn (evrazhka) om vinteren, faller kroppstemperaturen til null grader. Ingen forskere vet nøyaktig hva som utløser dvalemekanismen. Det er riktignok en antakelse om at en spesiell hjerne- og muskelreseptor - A1 adenosinreseptoren - fører til en nedgang i kroppstemperaturen til bakken ekorn og får ham til å sove, hvorfra han våkner åtte måneder senere med minimalt tap av bein og muskelmasse.
"Adenosin er en nevromodulator som spiller en rolle i å stimulere søvn og redusere hjernes eksitabilitet," sier Drew. "Det er allestedsnærværende i dyrehjerner." Hun sprøytet inn i dvalemodeller med et medikament som stimulerer deres A1-adenosinreseptorer. Drew kan også vekke gophers ved å bruke et annet medikament som blokkerer disse reseptorene.
Men signaleringskaskaden og settet med gener hos mennesker er mye mer komplisert og veldig vanskelig å tyde. Å komplisere oppgaven er at dvalemodus sover på forskjellige måter.
Den eneste primatet som dvaler er Madygaskars pygmyememur, som tilbringer åtte måneder i året i torpor, mest i varmt vær. Han lever av fettforekomster i halen. En reduksjon i metabolismen hos dette dyret krever ikke en reduksjon i kroppstemperatur.
I mellomtiden sier Rabinstein, som planlegger å gjennomføre en mild hypotermi-analyse for å indusere torp, at metodene som brukes i intensivbehandling i rommet kanskje ikke er like pålitelige.
At små barn 'drukner' i iskaldt vann for så å komme til sitt fornuft, er bemerkelsesverdig, og det gir oss håp, "sier han. - Men kan vi bruke kunnskapen vår [om dyp hypotermi] for å skape mildere hypotermi, slik at folk kan holde seg i denne tilstanden mye lenger uten skadelige konsekvenser, uten psykologisk og fysiologisk stress? Det gjenstår å se, men vi tror det er en sjanse."
Arielle Emmett
