Det säkraste sättet att resa långa sträckor i rymden kan vara konstgjord viloläge.
En dag kommer astronauter, fyllda som skarpsill i raketburkar och flyger till andra planeter, att skyddas från strålning och rymdsjuka av en minskning av metabolismhastigheten i kroppen. De kommer att vila i månader som björnar, och rymdskepp kommer att bära dem genom rymden och tiden. Förmodligen kommer de att sova i vita kokonger, liknar kistor, som visas för oss av regissörer av futuristisk science fiction i filmer som "2001: A Space Odyssey", "Alien" och "Avatar".
Men astronauter och rymdkolonister kommer sannolikt att lära sig en sak eller två av uttorkade sniglar, som kan överleva i över ett år utan att äta något. Eller i gigantiska pandor, som livnär sig från bambu med låg kaloriinnehåll. Och även i igler som kan överleva i flytande kväve; hos barn som föll i isvatten och sedan återupplivades; i skidåkare begravda i en lavin, men sedan långsamt återgår till livet från ett drömlöst tillstånd av hypotermi.
Forskare kallar detta fenomen för "bländande viloläge." En gång i tiden ansågs en sådan torpor, eller torpor, till något konstigt och outlandiskt, och kallades "funktionssensibilitet." Nu studeras det på allvar och hoppas kunna dra nytta av långsiktiga rymdflyg.
Detta intresse beror delvis på framstegen inom kryogen kirurgi, liksom ny kunskap som erhållits i praktiken. Ett sådant fall rapporterades 1995 i tidskriften Prehospital and Disaster Medicine. En fyra år gammal pojke föll genom is i kallt vatten på en sjö i Hannover, Tyskland. Räddare drog honom ur vattnet, men kunde inte få honom att känna på platsen. Pojkens elever utvidgade och hans hjärta stannade i hela 88 minuter. När offret togs till sjukhuset var hans kroppstemperatur 20 grader, vilket tyder på extrem hypotermi.
Efter 20 minuter, när läkarna började värma pojkens bröstkavitet, började hans hjärtkammare att sammandras. Efter ytterligare tio minuter återvände sinusrytmen till det normala. På två veckor återhämtade sig pojken helt och släpptes från sjukhuset. Läkarna drog slutsatsen att det iskalla vattnet snabbt kylde hans kropp till ett tillstånd av metabolisk dumhet (torpor), vilket bevarade alla vitala organ och vävnader och samtidigt minskade behovet av syre för blodcirkulation. I själva verket räddade kylan hans liv. "Dessa typer av fall får oss att tro att mycket djup hypotermi kan göra det möjligt för våra patienter att överleva," skrev Samuel Tisherman, professor i kirurgi vid University of Maryland School of Medicine, i ett e-postmeddelande. - Det viktigaste är att kyla hjärnan antingen tills blodflödet slutar,eller omedelbart efter stopp. Ju lägre temperaturen, desto bättre kommer hjärnan att hantera bristen på blodflöde."
Terapeutisk hypotermi är fast etablerad i kirurgisk praxis. Kylförsök började på 1960-talet, främst med nyfödda och de med hjärt-kärlsjukdom. Nyfödda slogs in i kylfiltar, placerades i is och till och med i drift för att bromsa blodcirkulationen och minska syrebehovet före hjärtoperation.
Idag använder läkare mild hypotermi (cirka 31 grader) för att behandla vissa nyfödda i allvarliga fall, till exempel för tidig födsel eller fosterhypoxi. Barn behandlas i kylkapslar under 72 timmar, vilket sänker deras ämnesomsättning i en sådan grad att vävnadens syrebehov uppfylls, medan hjärnan och andra vitala organ återställs.
Kampanjvideo:
På samma sätt använder kirurger kylning och metaboliskt undertryck för att behandla patienter som lider av fysiska skador och skador, såsom hjärtattacker, stroke, sköt sår, riklig blödning och huvudskador som orsakar hjärnödem. I nödsituationer kan anestesiologen sätta in ett tunt kateterrör i patientens näsa, som ger kylning av kväve direkt till hjärnans bas. I ett behandlingsexperiment infogar kirurger en kateter med hjärta-lungmaskiner genom bröstet i aorta, eller genom ljumsken i lårbensartären. Dessa rör används för att leverera kall saltlösning för att sänka kroppstemperaturen och ersätta förlorat blod När traumatolog stoppar blödningen startar hjärt-lungmaskinen blodflödet igen och patienten får en blodtransfusion.
"Om du applicerar förkylningen tillräckligt snabbt, innan hjärtat slutar, kommer de vitala organen, och i synnerhet hjärnan, att kunna motstå kylan utan blod under en tid", förklarar Tisherman. Han genomför kliniska prövningar med en kall koksaltlösning på en Baltimore Clinic för att försöka hjälpa kritiskt skadade patienter. Tisherman hoppas kunna fortsätta sin forskning åtminstone fram till hösten 2018 och kanske längre.
Den resulterande hypotermin bromsar snabbt eller stoppar blodcirkulationen i ungefär en timme. Följaktligen minskar syrebehovet och kirurger har tid att läka livshotande sår, varefter de kan värma upp patienten och återföra honom till liv.
Torpor gåta
Idag fäster många i flyg- och samhället sina hopp om medicinskt genererad hypotermi och den resulterande nedgången i ämnesomsättningen som ett sätt att spara utrymme, vikt, last, bränsle, mat och depression under långa flygningar till Mars eller mer avlägsna planeter. Forskning i denna riktning börjar precis. Ett problem är rent medicinskt. Vad är det bästa sättet att sätta hälsosamma astronauter i viloläge? Det är väl känt om terapeutisk hypotermi i operationssalen, men hur kan man hålla människor i yttre rymden sval och vila i veckor, månader och till och med år? Detta är ett helt outforskat område. Vissa forskare som studerar viloläge hos djur säger att andra metoder för att undertrycka ämnesomsättningen är bättre. Detta är en speciell dietlågfrekvent strålning och till och med användning av proteiner som inducerar viloläge hos djur som björnar och beringiska markekorrar, eftersom de säkert reglerar metabolism med möjligheten att lämna torpor.
Ett annat uppenbart problem är finansiering. Hur mycket pengar kommer NASA att avsätta för att studera den metaboliska avmattningen hos djur och människor om byrån sänker budgeten även för rymdflyg? Tidigare chef för Ames Research Center i Kalifornien, Pete Worden, nu verkställande direktör för Breakthrough Starshot-projektet, säger att eftersom NASA lägger stor vikt på syntetisk biologi och organismernas överlevnad och funktion i ovanliga miljöer som Mars, "vad är viloläge kommer att finansieras, det är nästan oundvikligt."
Denna optimism delas inte av alla.”Människor är besvikna,” sade Yuri Griko, en NASA-utbildad radiobiolog och ledande forskare inom rymdbiologisk avdelning i Ames Center. - När en satellit flög ut i rymden 1957, glädde och glädde min generation. Vi trodde att vi skulle flyga till Mars redan på 1900-talet. Men … det är 2000-talet, och vi flög aldrig till Mars. Människor som jag har en känsla av personlig förargelse eftersom vi förväntade oss gå mycket längre än nu."
Griko medger att forskning om sänkning av ämnesomsättningen för närvarande är i limbo. Han kom till jobbet på NASA 2005 och innan dess arbetade han i fem år på bioteknikföretaget Clearant, Inc., där han använde joniserande strålning för att blockera aktiviteten av patogener i medicinska blodprodukter, i organ för transplantation och i biologiska produkter. Rymdbyrån uppmanade sedan Griko att bedriva forskning för att skydda astronauter från rymdstrålning. Det visade sig att långsammare metabolism är en av de mest effektiva mekanismerna som ges av naturen.
När djur går i viloläge bär deras kropp strålning utan betydande skador på cellerna. Griko tror att en minskning av ämnesomsättningen leder till en minskning av skador från strålning, eftersom biokemiska processer bromsas ner och oxidativ stress försvagas. Hypoxia, eller låga syrehalter i blod och vävnad, är en möjlig förklaring till strålskyddseffekten. Med hypoxi reduceras bildningen av fritt syre och hydroxylradikaler. Eftersom joniserande strålning frigör fria radikaler, orsakar skador på celler, bromsar metabolismen och minskar syreförbrukningen i motsatt riktning. Dessa processer påverkar döden av normala celler och förlänger livslängden för friska celler. Denna skyddande effekt är mycket mer uttalad vid lägre temperaturer.
Griko tror att viloläge också kan skydda djur från muskel- och benatrofi, som vanligtvis uppstår i tyngdkraft. Enligt honom förlorar en normalt ätande person, efter att ha tillbringat 90 dagar i sängen, mer än hälften av sin muskelstyrka. Men en björn som inte äter någonting och sover i dess hölje ungefär samma tid eller lite längre förlorar bara 25% av sin muskelstyrka, och den visar inga tecken på benförlust. Forskaren konstaterar att vilande djur som sköldpaddor och pungdjur inte har skickats ut i rymden på flera decennier.
NASA har avvisat sin begäran om att finansiera rymdsexperiment med dvala djur. Idag är Grikos vetenskapliga arbete begränsad till analysen av forskning som utförts i viloläge, och han genomför också sina egna laboratoriestudier och studerar stasis hos möss, sniglar och igler. Forskaren föreslog att organisera en internationell konferens om företag 2015, att bjuda ledande världsexperter till den och diskutera frågan om hur viloläge kan hittas i rymden. NASA har vägrat att finansiera det, men Griko hoppas fortfarande att samla in nödvändiga pengar.
"Det finns väsentliga hinder för studiet av torpor, även om vi utan detta inte seriöst kan tala om rymdflyg på lång avstånd," säger före detta NASA-astronauten och ISS-besättningsbefälhavaren Leroy Chiao, som tillbringade 193 dagar i omloppsbana från oktober 2004 till april 2005. årets. Djurforskning är ett särskilt utmanande ämne eftersom NASA har kritiserat djurs förespråkare tidigare. "Till och med forskning om primater ses med fientlighet av människor," konstaterar Chiao.
Lösningen finns i två planeter
NASA: s innovativa avancerade koncept (NIAC) programchef Jason Derleth ser anledning till hopp. Under hans ledning har programmet beviljat två innovationsbidrag sedan 2013, som stöder ett företags detaljerade planer för att skapa ett mellanliggande laboratorium på Mars med hjälp av konstgjorda vilolägetekniker. Huvudföretaget för detta projekt, SpaceWorks Enterprises, är en flyg- och rymdkonstruktör och entreprenör för NASA och Department of Defense. Det ligger i Dunwoody, Georgia, 30 kilometer från Atlanta. Företaget deltog i skapandet av CubeSat-format för små konstgjorda satelliter. Men det var företaget som väckte den särskilda uppmärksamheten från presidenten och chefingenjören för detta företag, John Bradford.
"Jag har frågat mig själv i 15 år om hur man utformar material, strukturer och framdrivningssystem som gör att vi kan flyga till Mars och dess satelliter," säger Bradford. Han är doktorsexamen och flyg- och rymdingenjör. Bradford har lett flera projekt av NASA, Defense Advanced Research Projects Agency och Air Force Research Laboratory för att bygga militära rymdplan. Han var också en konsult för science fiction-filmen Passengers, som kom ut 2016. Där vaknar interplanetära bosättare, spelade av Jennifer Lawrence och Chris Pratt, från konstgjord sömn i förväg. "Vi filmer inte Apollo-uppdraget längre", förklarar Bradford. - Inga flaggor och fotavtryck. Vi måste bli en tvåplanetär art."
Bradfords medicinska ingenjörsteam använde det första bidraget för innovativa avancerade koncept 2013 för att designa en kompakt levande modul med nollgravitet från styva strukturer, baserad på ISS-bostadsmodulen. I detta rymdhus tillhandahölls ett slutet cykelsystem för produktion av syre och vatten, direkt tillgång till start- och landningsmodulen för landning på Mars, samt ett livstödskomplex för sex personer som var tänkta att kasta ut i ett torp-tillstånd under hela flygtiden (från sex till nio månader).
Den föreslagna tekniken för konstgjord viloläge är baserad på de tekniker som används av kirurger för att inducera hypotermi hos en patient. Till exempel kan kylgasens kväve tillföras en astronaut genom ett nässlang, vilket sänker hjärnans och kroppens temperatur till 31 grader. Detta räcker för att upprätthålla viloläget, men samtidigt överkyler inte hjärtat och det finns ingen risk för andra komplikationer. Med kylning minskar blodkoagulationen, konstaterar Tisherman. Han märkte också att patienter som utsätts för måttlig hypotermi (33 grader) under två eller fler dagar är mer benägna att ha infektioner än personer som inte har kylt.
På SpaceWorks Enterprises rymdhem är modulära mekaniska manipulatorer programmerade för att göra sysslor, utöva astronauts lemmar, kontrollera kroppssensorer, tomma urinbehållare och övervaka näringstillförsel. Roboterna måste skicka elektriska impulser till astronauternas muskler, hålla dem i god form och också injicera lugnande medel för att undertrycka de naturliga skakningarna. Astronauter måste också få komplett parenteral näring med ämnen som elektrolyt, D-glukos, lipider, vitaminer och så vidare. De tillförs kroppen med vätska genom en kateter som sätts in i bröstet eller låret. I experimentmodulen skapades lager av total parenteral näring i 180 dagar. Men om flygningen till Mars varar längre,i modulen kan du skapa en leverans av mat i ytterligare 500 dagar.
Sammantaget kunde SpaceWork minska den totala vikten av Compact Habitat till 19,9 ton, inklusive förbrukningsvaror och förbrukningsvaror (låg jordbana vikt). Som jämförelse väger NASA: s boenhet TransHab, tillsammans med leveranser och leveranser, 41,9 ton. Det är 52% mer än SpaceWork. Jämfört med NASA: s SpaceWork-modul har den totala lagervikten minskat med 70%.
NIAC-programhanteringen var fascinerad. "SpaceWorks kom med ett intressant förslag", säger Derlet.”Folk har studerat viloläge för medicinska ändamål. Men så vitt vi gör för närvarande ingen konstruktiv studie av användningen av hypotermi eller torpor i rymdflygningar."
2013 gav NIAC-ledningen SpaceWorks den första delen av ett bidrag på $ 100 000 för att utveckla en föredömlig plattform för konstgjord sömnande forskningsflyg till Mars och dess satelliter. Besättningen skulle inkludera fyra till åtta personer. Rymdbyrån motsatte sig dock förslaget att sätta alla besättningsmedlemmar i konstgjord sömn under hela flygtiden. Vad händer om det kommer att bli medicinska komplikationer eller funktionsfel i rymdskeppet? Hur lång tid kommer det att ta innan astronauter börjar drabbas av psykologiska och fysiska skador? Tänk om komplikationer ombord kräver att de vaknar tidigt? Och hur är det med gradvis och långsam uppvaknande och uppvärmning av kroppen när astronauten vaknar från viloläge?
Dessa frågor drev SpaceWorks-teamet tillbaka till arbetet. De utformade facket för att besättningen skulle stanna i ett konstgjort sömnstillstånd, förutsatt att flera astronauter skulle ta turer vakna för att pilotera skeppet och utföra nödvändigt arbete (som i "Space Odyssey", där två besättningsmedlemmar på väg till Jupiter var vakna, medan medan resten var i konstgjord viloläge).
Bradfords team gick längre. Genom att designa tre sammankopplade bostadsmoduler för 100 fördrivna passagerare (för att fylla Mars) skapade hon ett rymdskepp med ett levande fack som är helt till skillnad från vad NASA planerat. SpaceWorks fördrivna vik innehåller två kompakta roterande husenheter, som vardera innehåller 48 stora passagerare. Rotation i olika hastigheter skapar en konstgjord tyngdkraft som förhindrar benförlust.
Men Bradford-laget hade ett annat, djärvare förslag. I en separat levande modul bestämde hon sig för att placera fyra astronauter på vakt, som skulle betjäna fartyget och besättningen under hela flygningen. Medan man sover arbetar tre, vilket bibehåller sin styrka.
Flyg till Mars med SpaceX
"Att rotera den sovande besättningen och vakna upp några astronauter för att titta på är mer fördelaktigt än att alla astronauterna vilar i ett halvt år," betonar Bradford. Ett rymdskepp med bosättare i ett mindre stat kommer att bli lättare, vilket kraftigt ökar hastigheten, minskar flygtiden och möjligen också ger ett mer tillförlitligt skydd mot strålning på grund av en nedbromsning i ämnesomsättningen. Vidare, säger Bradford, kommer sovande astronauter inte att uppleva rörelsesjuka, vilket är ett vanligt problem för ISS-invånare.
Bär viloläge
Men vad kommer känslan av torpor i yttre rymden att vara? Nej, det här handlar inte om att frysa ihjäl i en kryogen enhet och sedan återuppliva, säger barnläkare-gynekolog och SpaceWorks-konsult Doug Talk, som använder terapeutisk hypotermi för att behandla syreberövade barn. "Cryogenics har noll framgång här," förklarar han. - Den mänskliga kroppen är inte avsedd att frysas; det består huvudsakligen av vatten, och när vatten ökar i volym [detta händer när det fryser] leder det till att celler förstörs."
Snarare kommer astronauterna vila som ett koma. Detta är en korsning mellan drömlös sömn och ett halvmedvetet tillstånd.”Patienter i koma har cykler av hjärnaktivitet från till synes vakenhet till djup, drömlös sömn,” förklarar Tock. Även om patienter i koma inte kan röra sig förblir deras hjärnor aktiva och svarar till och med på yttre stimuli, inklusive muntliga kommandon.
Viloläggningar upplever något liknande. Deras kroppstemperatur sjunker endast med några få grader (som vid måttlig hypotermi hos människor), och deras ämnesomsättning minskas med 75%. Björnar i norra klimat kan vila i sju till åtta månader utan att äta eller dricka något; och gravida kvinnor föder avkommor och matar dem även i viloläge.
”Människor i torpor kommer att bete sig som björnar,” föreslår Tok.”De kommer att ha cykler från vakenhet till djup drömlös sömn. Och som björnar kommer de att visa tecken på sömnbrist när de vaknar upp."
I maj 2016 godkände NIAC-ledningen den andra fasen av SpaceWorks-projektet, den här gången gav den 250 000 dollar för att fortsätta teknisk forskning, såväl som operationell och medicinsk forskning. "Fas 1-projekt har visat att vår vision är verklig", säger Derlet. "Vi är glada att Dr. Bradford gör framsteg."
SpaceWorks-teamet föreslog några förbättringar av konstruktionen av den levande modulen, liksom ett experiment med konstgjord sömn under en period av två till tre veckor med flera friska grisar. Grisar, som människor, övervakar inte sin naturliga miljö, och därför kommer deras fysiologiska reaktion på konstgjord sömn bättre att hjälpa människor att förstå vad de kan förvänta sig av torpor än experiment på möss och sniglar. Men enligt Derleth förbjuder NASA-regler finansiering av forskning om svin.
Därför kom SpaceWorks med ett alternativt förslag: att heltäckande studera de redan genomförda och pågående experimenten för att undertrycka ämnesomsättningen, på denna basis, för att skapa ett handlingsprogram för en nära framtid för att utveckla nödvändig teknik som möjliggör övergången till mänskliga försök, inklusive mer systematiska djurstudier. I sommar beräknas NIAC genomföra en interimsöversyn av SpaceWorks och besluta om att anslå ytterligare $ 250 000 i finansiering.
"Vi fortsätter att tro på behovet av forskning om levande saker för att utveckla tekniska tekniker och tillämpa dem på lång sikt," skrev SpaceWorks grundare och vd John Olds. "Och detta steg kan kräva deltagande av privata sponsorer."
Den som betalar för detta arbete kommer att vara svårt att utföra experiment på djur eftersom det väcker etiska frågor.
"Jag tror att NASA har rätt att agera långsamt och gradvis," säger Arthur Caplan, chef för medicinsk etik vid NYU Medical Center. Även om många är entusiastiska över utsikterna till konstgjord sömn under utökade rymdflyg, behöver NASA inte det extra krånget som djurförespråkare kan få, sade han.
"Svin är ganska lika i fysiologi som människor, så det är vettigt att använda dem för experiment," säger Kaplan. "Och till kritikerna kan vi säga detta: antalet svin som kommer att rekryteras för denna typ av forskning kommer att vara mindre än den genomsnittliga amerikanen äter på en vecka till frukost."
Mänskliga faktorn
I science fiction-filmer och böcker idealiseras och romantiseras torpor, säger Kaplan. De ger intrycket av att en person lätt kan komma in och lämna detta komaliknande tillstånd. Men verkligheten kan vara annorlunda.
Enligt Kaplan kommer de första experimenten att genomföras med deltagande av mycket ovanliga människor - troligen kommer det att vara testpiloter.”Dessa människor riskerar sina liv varje dag; de förstår de fysiologiska farorna eftersom de testar plan och vet att många av sina kollegor har dött. Astronauter berättade för mig att de är redo att delta i alla experiment, bara för att flyga ut i rymden. Vårt jobb är att innehålla dem, säger han.
Mänskligt experiment kommer att vara ett aldrig tidigare skådat steg. Ingen har någonsin använt hypotermi för att bromsa ämnesomsättningen hos människor som inte är sjuka eller skadade, mycket mindre hos exceptionellt friska astronauter.
"Vi har många friska människor som har uttryckt en önskan att delta i långsiktiga experiment med konstgjord sömn," säger Tok. - Det finns en uppmanad efterfrågan på människor som är redo att koppla från livet i sex månader. Jag är säker på att hälsomyndigheterna inte kommer att godkänna detta."
Samtidigt har Tok rekryterat två terapeutiska hypotermispecialister till SpaceWorks forskarteam: Alejandro Rabinstein, medicinsk chef för Neurology Intensive Care Unit vid Mayo Clinic, och neuroscientist Kelly Drew, som arbetar på Fairbanks vid University of Alaska, specialiserad på viloläge. djur. Drew studerar tillsammans med andra forskare vid University of Alaska Institute of Arctic Biology dvalemönstren för varmblodiga djur som igelkottar, Beringian gophers och björnar. De hoppas kunna lösa mysteriet om hälsosam vila och hjärnans signaler som utlöser det och tror att det kommer att hjälpa astronauter att anpassa sig utan biverkningar.
Till exempel i den Beringiska markekorran (evrazhka) på vintern sjunker kroppstemperaturen till noll grader. Ingen vetenskapsman vet exakt vad som utlöser viloläget. Det är riktigt ett antagande att en speciell hjärna- och muskelreceptor - A1 adenosinreceptorn - leder till en minskning av kroppstemperaturen hos markekorran och får honom att sova, från vilken han vaknar åtta månader senare med minimal förlust av ben- och muskelmassa.
"Adenosine är en neuromodulator som spelar en roll för att stimulera sömn och minska hjärnans excitabilitet," säger Drew. "Det är allestädes när det gäller djurhjärnor." Hon injicerade i viloläge med ett läkemedel som stimulerar deras A1-adenosinreceptorer. Drew kan också väcka gophers genom att använda ett annat läkemedel som blockerar dessa receptorer.
Men signaleringskaskaden och uppsättningen av gener hos människor är mycket mer komplicerade och mycket svåra att dechiffrera. Att komplicera uppgiften är att dvala djur sover på olika sätt.
Den enda primat som vilar är Madagaskars pygmy lemur, som tillbringar åtta månader om året i torpor, mest i varmt väder. Han lever av fettavlagringar i svansen. En minskning av ämnesomsättningen hos detta djur kräver inte en minskning av kroppstemperaturen.
Samtidigt säger Rabinstein, som planerar att göra en mild hypotermianalys för att framkalla torpor, att teknikerna som används i intensivvård i rymden kanske inte är lika tillförlitliga.
"Det faktum att små barn" drunknar "i iskallt vatten och sedan kommer till sitt sinne är anmärkningsvärt, och det ger oss hopp," säger han. - Men kan vi tillämpa vår kunskap [om djup hypotermi] för att skapa mildare hypotermi, så att människor kan stanna i detta tillstånd mycket längre utan skadliga konsekvenser, utan psykologisk och fysiologisk stress? Det återstår att se, men vi tror att det finns en chans."
Arielle Emmett
