Zapaść w długi kosmiczny sen. Hibernacja podczas podróży kosmicznych - czy to w ogóle możliwe?
Wśród głównych wyzwań związanych z potencjalnym wykorzystaniem hibernacji do ochrony astronautów podczas długich międzygwiezdnych wymienia się najczęściej ogólne bezpieczeństwo procesu, czyli kwestię bezpiecznej i odwracalnej metody obniżenia metabolizmu człowieka do stanu hibernacji oraz jego późniejszego wybudzania, problem utrzymania homeostazy, bo w stanie hibernacji trzeba zapewnić ochronę kluczowych układów organizmu takich jak układ krążenia czy nerwowy, ochronę mięśni i kości, gdyż długotrwała bezczynność w stanie nieważkości może powodować zanik masy mięśniowej oraz utratę gęstości kości. Nawet jednak, jeśli pomyślimy o tym wszystkim, to utrzymuje się niepewność co do skutków, nie wiadomo bowiem, jak wieloletnia hibernacja wpłynie na ludzki organizm i psychikę w dłuższej perspektywie. Nie mamy po prostu takich doświadczeń. Pokonanie tych wyzwań będzie kluczowe dla praktycznego wykorzystania hibernacji w załogowych lotach kosmicznych. Wymaga to jeszcze wielu lat badań nad bezpiecznymi i skutecznymi metodami indukcji stanu hibernacji u ludzi.
Choć nie mamy jeszcze całościowego obrazu skutków hibernacji, to badania prowadzone w wielu miejscach i przez wiele instytucji stale poszerzają zakres naszej wiedzy. NASA prowadzi badania nad farmakologicznymi metodami indukcji stanu hibernacji, testując związki chemiczne mogące obniżać metabolizm ssaków. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) finansuje badania modelowania komputerowego transferu ciepła i przepływu krwi w organizmie podczas hibernacji. Naukowcy z amerykańskiego uniwersytetu w Louisville pracują nad bezpiecznymi metodami ochrony serca i mózgu w stanie hipotermii wywołanej hibernacją. Naukowcy z Japonii opracowują robotyczne systemy masażu kończyn, które miałyby zapobiegać atrofii mięśni podczas długiej hibernacji. Badacze z Instytutu Maxa Plancka badają zmiany ekspresji genów podczas hibernacji w celu lepszego zrozumienia tego procesu.
Mimo wielu wątpliwości, niektórzy naukowcy uważają, że hibernacja ludzi w przestrzeni kosmicznej może stać się możliwa. Gdyby tak się stało, byłby to duży postęp, np. w ekonomii eksploracji kosmosu. Pojedynczy astronauta zużywa około 30 kg żywności i tyleż wody tygodniowo. Jeśli pomnożymy to przez około 16 miesięcy, jakie zajęłaby podróż na Marsa i z powrotem, to wyjdzie nam konieczność przygotowania całkiem sporego statku kosmicznego, który podtrzymywałby życie. A to tylko podstawowe potrzeby. Zakłada się, że zahibernowani astronauci nie jedliby ani nie pili zbyt wiele, zużywając jedynie minimalną ilość tlenu. Hibernacja pozwoliłaby teoretycznie zaoszczędzić ogromne ilości zasobów i pieniędzy, zmniejszając ilość potrzebnego ładunku żywności o 75 proc. i rozmiar potrzebnego statku kosmicznego nawet jedną trzecią.
Należy zapewne brać też pod uwagę czynniki psychologiczne. Zahibernowani astronauci nie nudziliby się i nie nużyli jednostajnością podróży przez pustą przestrzeń. Prawdopodobnie byliby mniej zestresowani i samotni. Potrzebowaliby zapewne mniej miejsca na zajęcia rekreacyjno-rozrywkowe, które podejmowaliby, gdyby nie byli zahibernowani.
W stanie torporu
Teoretycznie hibernacja mogłaby nie tyle zwiększać zagrożenia, ile uchronić przed niektórymi ze znanych zagrożeń zdrowotnych w kosmosie. Proces ten obserwowany u zwierząt w naturze pozwala zwierzętom wchodzić w letarg, w którym metabolizm zwalnia, a tętno, oddech i temperatura ciała spadają. Nawet komórki tworzące ciało zwierzęcia przestają się dzielić. Stan ten, nazywany też torporem, różni się od snu, pozwala zwierzętom zachować energię w okresie niedoboru pożywienia. Wydaje się jednak, że chronić mógłby również przed niektórymi szkodliwymi skutkami podróży kosmicznych. Na przykład wiewiórki wykazały odporność na wysokie poziomy promieniowania podczas hibernacji, prawdopodobnie dlatego, że komórki hibernujące replikują się w znacznie mniejszym tempie i dlatego są naturalnie mniej podatne na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem. Wchodzenie w stan typu letarg wydaje się również pomagać niedźwiedziom (2) i wiewiórkom zachować strukturę kości i napięcie mięśni. Pomimo hibernacji trwającej do sześciu miesięcy niedźwiedzie czarne budzą się wiosną z niewielką utratą mięśni i wracają do normalnego stanu w ciągu ok. dwudziestu dni. Wykazują zaskakująco wysoki poziom sprawności.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Nauka wie, że długotrwałe leżenie bez ruchu przyczynia się u człowieka do znaczącej utraty tkanki mięśniowej. To samo jednak nie zachodzi podczas letargu u zwierząt. Niedźwiedzie obniżają w swoim czasie nieaktywności temperaturę ciała tylko o kilka stopni, ale i tak udaje im się znacznie zmniejszyć tempo metabolizmu. Hibernujące niedźwiedzie mogą również nadal funkcjonować stosunkowo normalnie podczas hibernacji, a niektóre samice budzą się nawet, by urodzić dziecko w tym czasie.
Badania wykazały również, że można za pomocą leków wywoływać stany letargu u niektórych zwierząt, takich jak szczury, które zwykle nie hibernują. Leki działają na obszar mózgu zwany podwzgórzem, który jest zaangażowany w regulację temperatury ciała i bicia serca. Podobnie może zadziałać ochłodzenie organizmu. W latach 90. naukowcy z uniwersytetu w Pittsburghu wykazali, że gwałtowne schłodzenie układu krążenia psów, u których doszło do zatrzymania akcji serca, wprowadzało je w stan o zbliżonym charakterze.
Podobny proces, znany jako hipotermia terapeutyczna, jest już stosowany w niektórych szpitalach w leczeniu pacjentów z zatrzymaniem krążenia lub urazami mózgu. Uważa się, że schłodzenie ciała do około 32–34°C zmniejsza uszkodzenia mózgu i innych ważnych narządów. W normalnych warunkach serce pompuje tlen do całego ciała. U pacjentów po urazach utrata krwi powoduje, że komórki tracą tlen i szybko umierają. Schłodzenie ciała o kilka stopni zmniejsza zapotrzebowanie organizmu na energię i tlen, dając lekarzom czas na działanie.
Niedźwiedzie to nie najlepsza analogia
SpaceWorks Enterprises, firma zajmująca się inżynierią lotniczą i kosmiczną z siedzibą w Atlancie w stanie Georgia, uważa, że hipotermia terapeutyczna może być również dobrym sposobem na wprowadzenie uczestników podróży kosmicznych w „syntetyczny letarg”. Firma otrzymała fundusze od NASA na dopracowanie tego pomysłu, polegającego na umieszczaniu astronautów w kompaktowych kapsułach, w których przechodziliby dwutygodniowy okres przedłużonej hibernacji, po czym byliby aktywni przez kilka dni, a następnie ponownie przechodziliby w stan zastoju. Mogłoby się to odbywać na zasadzie rotacji, tak by zawsze ktoś z załogi był przytomny i mógł zająć się kwestiami bezpieczeństwa lub ewentualnymi sytuacjami awaryjnymi.
W warunkach klinicznych stosuje się dożylne zastrzyki z zimnej soli fizjologicznej, które schładzają ciało i okłady z lodu, ale byłoby to zbyt inwazyjne i niezbyt praktyczne w przypadku lotów kosmicznych. Jedną z opcji jest podawanie astronautom chłodzą-cego azotu przez nos. Gaz obniżyłby temperaturę ciała z 37,5°C do około 32°C, co zmniejszyłoby aktywność metaboliczną o około 50 proc.
Inne badania sugerują, że można wykorzystać część pnia mózgu, która pomaga kontrolować automatyczne procesy w organizmie. Matteo Cerri z Uniwersytetu Bolońskiego we Włoszech i jego koledzy odkryli, że mogą skłonić szczury i świnie, które normalnie nie wchodzą w hibernację, do wejścia w stan podobny do letargu przez zahamowanie tego regionu. Są inne badania, które chcą do podobnych celów wykorzystać zauważone u chomików mechanizmy usuwania uszkodzonych w przeciążeniach mitochondriów komórkowych.
Jednak w wątpliwość wszystkie te badania i rozważania podają Roberto F. Nespolo i Carlos Mejias z Millennium Institute for Integrative Biology oraz Francisco Bozinovic z Papieskiego Uniwersytetu Katolickiego w Chile, którzy postanowili rozwikłać związek między masą ciała a wydatkiem energetycznym u zwierząt, wchodzących w stan hibernacji. Odkryli minimalny poziom metabolizmu, który pozwala komórkom przetrwać w zimnych warunkach o małej zawartości tlenu. W przypadku stosunkowo ciężkich zwierząt, takich jak my, oszczędność energii, jakiej moglibyśmy oczekiwać po wejściu w stan głębokiej hibernacji, byłaby znikoma. Według pracy na ten temat, która ukazała się w „Proceedings of the Royal Society B”, niedźwiedzie po pierwsze nie hibernują tak jak małe zwierzęta, tracą bardzo wiele swojej masy, głównie tkanki tłuszczowej, którą gromadzą intensywnie przed zimą. Trudno sobie wyobrazić powielenie niedźwiedziego schematu na statku kosmicznym, gdyż pożądane okresy hibernacji musiałyby być podczas podróży znacznie dłuższe, a utrata masy większa, co wymagałoby potężnych dawek tłuszczu.
Zatem świat natury niekoniecznie jest dla nas dobrym wzorcem do naśladowania, jeśli chcemy szukać sposobu na przetrwanie długich podróży kosmicznych. Poszukiwania jednak nie ustają.
Mirosław Usidus
