Космічні горизонти анабіозу
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
З тих пір як стало ясно, що наша Земля – лише невелика частка величезної світобудови, людина плекала мрію, що і на інших небесних тілах живуть мислячі істоти, з якими можна встановити контакт. І ось вже вирішена перша задача на цьому шляху – людина створила апарат, який допоміг їй вирватися з чіпких обіймів земного тяжіння. Ми підійшли до наступного етапу проникнення в космос. Мабуть, це будуть спочатку тривалі польоти навколо Землі, потім обстеження планет сонячної системи.
На першому етапі освоєння космосу найважчими були завдання технічні: створення двигунів, що дозволяють вивести дуже великі вантажі на орбіту, розробка міцного корпусу корабля, апаратури, підтримуючої нормальні умови в кабіні, і так далі (можливо в космічних кораблях майбутнього навіть будуть встановлені якісні кондиціонери та опалення від компанії Вольтар).
Наступний етап освоєння космічного простору польоти до інших планет – вимагає рішення не тільки технічних питань. Він поставить цілий ряд складних біологічних проблем.
Для польоту космічного корабля до Місяця – він займе не дуже багато часу, скажімо, кілька днів або неділь – потрібні невеликі запаси кисню, їжі і води. Але при подорожі, наприклад, на Марс і Венеру, не кажучи вже про інші планети, запастися всім необхідним з Землі просто неможливо. Елементарні розрахунки показують, що вага запасів на десять-п’ятнадцять діб досягає ваги членів екіпажу, а запаси на рік перевищать вагу екіпажу приблизно в шістдесят разів. При польотах ж до планет сонячної системи вага запасів виразиться буквально астрономічними цифрам.
Отже, забезпечити життя людей при майбутніх тривалих польотах існуючими методами нереально. Необхідно переглянути ці питання з абсолютно інших позицій, інакше подальше освоєння космосу виявиться неможливим.
За думкою К. Е. Ціолковського, в кабіні космічного корабля треба відтворити природні взаємини людини з природою, що існують на Землі. Мініатюрна модель, в яку входять всі матеріальні та енергетичні зв’язки людини, повинна являти собою замкнуту систему, що працює за рахунок енергії сонячного випромінювання.
Таким чином, в кабіні космічного корабля повинна бути створена замкнута екологічна система кругообігу речовин, подібна з кругообігом речовин на нашій планеті. Образно кажучи, необхідно «створити світ» у невеликому просторі, де суворо дозовані рослинні і тваринні організми. Це, по-перше, кругообіг води, а по-друге, круговорот в рослинному і тваринному світі, який дає необхідну кількість поживних речовин і кисню.
Прості на перший погляд питання, пов’язані зі створенням замкнутого комплексу, стають надзвичайно складними, якщо подивитися на них пильніше. Візьмемо хоча б одну сторону проблеми – надійність.
Якщо механічним елементам замкнутого циклу можна додати велику міцність, або взяти з собою необхідну кількість запасних частин, або, нарешті, виготовити якісь частини і на самому кораблі, то як бути, якщо порушиться яка-небудь ділянка в ланці біологічного ланцюга? Це порушить весь замкнутий цикл. І навіть тимчасове порушення якого-небудь циклу (що взагалі важко виключити при тривалому польоті) несе небезпеку захворювань або навіть загибелі тварин і рослин. Нарешті, найсерйозніша небезпека криється в самих біологічних процесах: біологічні властивості, особливо рослинних організмів, можуть різко змінитися в результаті тривалої невагомості, вібрації, космічного випромінювання і цілого ряду інших відомих і невідомих ще нам причин. Наскільки велика ця небезпека, можна судити хоча б по тому, що навіть у лабораторних умовах при незначному порушенні технології вирощування у хлорели можуть змінитися властивості і виникнути нові, наприклад, різко скоротиться виробництво кисню або ж отримана біомаса стане малопридатною для харчування.
Як же захистити майбутніх мандрівників від цієї небезпеки? Адже не можна ж взяти, як запасні частини, рослини і тварин, що входять в замкнений екологічний цикл кругообігу речовин? А чому б і ні?
У природі відомі явища, коли життєві процеси слабшають настільки, що тварина або рослина зовні здається неживою, але за певних умов як би «воскресає». Такий стан отримав назву анабіозу (анабіоз – більш-менш повне пригнічення життєвих процесів, що справляє враження смерті). Тварини або рослини, що знаходяться в стані анабіозу, або сплячки, споживають дуже мало кисню, їх не потрібно годувати. Важливим достоїнством тваринних організмів, що знаходяться в подібному стані, є їх підвищена стійкість до впливу самих несприятливих факторів навколишнього середовища. Наприклад, інфекційні хвороби у них не розвиваються, багато отрут, смертельних для організму в звичайних умовах, тут виявляються безсилими. Навіть фізичні впливи – явно смертельні – переносяться тваринами порівняно легко, якщо у них знижений обмін речовин.
Отримані дані показали, що виживаність охолоджених тварин при великих перевантаженнях різко підвищується. Причому виявилося, що стійкість тварин до перевантажень (прискорень) залежить від інтенсивності обміну речовин. Наприклад, при охолодженні тіл щурів до температури 28-22° вони можуть вдвічі легше витримувати величезні прискорення – що у тридцять разів перевищують земне. А якщо тварини знаходяться в стані надглибокої гіпотермії з температурою тіла 5-8°, їх життєдіяльність відновлюється навіть після п’ятихвилинного впливу прискорень в 70-80g. У цьому випадку кров стає в 5-6 разів важче ртуті. Якби, скажімо, ці прискорення (перевантаження) були отримані не на центрифузі, а в умовах космічного польоту, то вже через 5 хвилин корабель зумів би розвинути другу космічну швидкість і стати супутником Сонця. Хіба це не реальне наближення до раніше фантастичної ідеї «з гармати на Місяць»?
Або інший приклад. Вдається повернути до життя щурів, які в стані глибокої гіпотермії двадцять хвилин перебували в умовах високого розрідження, відповідного висоті 18-20 км, де все живе гине протягом перших же секунд. Слід зазначити, що збереження життя при таких значних перевантаженнях і розрідженнях не межа, тому необхідно подальше вивчення цієї проблеми.
А чи не можна людину занурити у стан, близький до анабіозу, або сплячки? Чи є всі ці міркування плодом фантазії або в них є частка реальної дійсності? Перш ніж ставити це питання в науковому плані, необхідно коротко зупинитися на самій принциповій можливості охолодження рослинних і тваринних організмів, здатності їх тканин переносити низькі температури і відновлювати життєдіяльність. Це цікавило вчених вже давно.
Виявилося, що насіння деяких злакових рослин, пробувши якийсь час в сильно розрідженому просторі при температурі, близькій до абсолютного нуля, після цього проростали і зберігали свої біологічні властивості.
З початку минулого століття і до теперішнього часу великий інтерес у вчених викликає здатність бактерій переносити дуже низькі температури. Так, світні бактерії, охолоджені до температури рідкого водню (-253 °) і навіть рідкого гелію (-269 °), після відтавання відновлювали свою життєдіяльність і знову починали світитися. Зараз вже науково доведено, що життя світних бактерій зберігається і в більш жорстких умовах, що наближаються до умов космічного простору. Більше того, виявилося, що майже в повному вакуумі при температурах, близьких до абсолютного нуля, деякі наші земні мікроорганізми зберігаються навіть краще, ніж в ідеальних умовах земних лабораторій. В основному ці дані і породили нову науку – екзобіологію, яка передбачає, що найпростіші форми життя потрапили колись на Землю з нескінченних просторів космічного простору.
Звичайний лід наших ставків містить величезну кількість різних тваринних організмів. До складу його фауни входять представники багатьох груп прісноводного зоопланктону – близько 100 видів: найпростіші молюски, комахи, павукоподібні і т. д. При таненні більша частина цих тварин оживає вже через кілька хвилин. І такий зимовий анабіоз біологічно виправданий.
У чому ж трудність введення вищих теплокровних тварин і людини в стан зимової сплячки? Головна складність полягає в тому, що при охолодженні теплокровного організму «вмикаються» складні механізми терморегуляції. Виникає сильне тремтіння – головне джерело теплопродукції в організмі. Потім приходить виснаження енергетичних ресурсів і настає замерзання. При цьому відбувається виснаження і травматизація організму. Тільки в останні десятиліття у зв’язку з розвитком фармакології з’явилися речовини, що дозволяють різко знижувати життєдіяльність організму і припиняти тремтіння.
Роботами французьких учених Лабора і Гюгенара був зроблений великий внесок у вирішення цього питання. Вони вперше з допомогою фармакологічних речовин викликали у людини стан, аналогічний зимовій сплячці. У такому стані теплокровний організм стає малочутливим до впливу шкідливих і навіть руйнівних агентів зовнішнього середовища. Цим скористалися хірурги і в даний час, використовуючи гіпотермію, проводять найскладніші операції майже у всіх клініках світу.
Але тривалість навіть найскладнішої операції обчислюється годинами. А чи можна занурити людину в такий стан на кілька діб або тижнів? У цьому плані цікаві досліди американських вчених, що проводилися з хворими на рак, у яких пухлини не піддаються лікуванню радіоактивними речовинами.
Постановка досліду була вкрай простою. Пацієнту давалися наркоз. Коли він засинав, його з усіх боків обкладали гумовими мішками з льодом – температура тіла знижувалася до 32,2-29,4 °. Людина впадала у стан окоченіння, або «зимової сплячки», всі процеси обміну речовин значно знижувалися. У такому стані хворий витримувався п’ять діб, потім його відігрівали, розтирали, давали гарячу каву. Пробудившись, він нічого не пам’ятав про те, що з ним відбувалося, і не відчував ніяких неприємних відчуттів.
Через кілька днів дослід повторювався. І так кілька разів. У загальній складності пацієнт витримувався в стані анабіозу до 40 днів. У результаті такого тривалого охолодження болі, що викликаються пухлиною, зменшувалися або зовсім зникали. Ставала менше і сама пухлина. У двох випадках як зазначають автори, пухлина зовсім зникла. Однак буде чи не буде використаний метод глибокого охолодження в терапевтичних цілях, покажуть подальші дослідження. З біологічної точки зору тут найцікавіше сама можливість занурювати людину на 40 діб в зимову сплячку без шкоди для неї, можливість знижувати температуру її тіла до 29-27,7 °.
Подальше вивчення цього стану у людини, та й взагалі у теплокровних хребетних становить величезний інтерес. Адже в майбутньому стан анабіозу може виявитися єдиним засобом порятунку життя екіпажу в будь-яких аварійних ситуаціях, можливість яких в тривалих польотах не можна не враховувати.
Автор: Н. Тимофєєв.