Dugotrajna putovanja kroz svemir veoma su štetna za ljudsko zdravlje. Boravak u svemiru izlaže ljude opasno visokim nivoima zračenja, dok dugotrajna izloženost bestežinskom stanju može oštetiti većinu organskih sistema, uključujući mišiće, kosti i oči. Mjeseci ili godine provedeni u skučenom prostoru mogu imati i ozbiljne psihološke posljedice.
Ključ za rješavanje ovih problema možda se krije u fiziološkoj strategiji staroj čak 250 miliona godina, koja sisarima, pticama, ribama i drugim životinjama omogućava da prežive periode ekstremne oskudice tako što se praktično „isključe“, hibernacijom.
Tokom hibernacije životinje gotovo potpuno obustavljaju tjelesne funkcije. Ne jedu, ne piju i ne kreću se, a jednako je važno to što ne osjećaju glad ni žeđ i, čini se, ne pate zbog hladnoće.
Ova izuzetna sposobnost mogla bi biti presudna kako bi ljudi jednog dana stigli do Marsa i još udaljenijih odredišta, ali bi mogla pomoći i u spašavanju života na Zemlji, piše Guardian.
Istraživanja pokazuju da hibernacija štiti organizam od mnogih opasnosti koje prate dugotrajna svemirska putovanja, uključujući izloženost zračenju te gubitak koštane i mišićne mase.
Dovođenje putnika u stanje dugotrajne nesvijesti moglo bi ublažiti i posljedice višemjesečnog ili višegodišnjeg boravka u zatvorenom prostoru. Hibernacija bi također mogla značajno smanjiti količinu hrane i vode potrebne za putovanje, čime bi se smanjila masa tereta i omogućilo astronautima da brže stignu do odredišta i vrate se.
Problem je u tome što zimski san nije prirodno svojstven čovjeku. Za razliku od vjeverica, medvjeda, šišmiša i brojnih drugih vrsta, ljudi nisu evoluirali tako da u periodima nestašice drastično uspore metabolizam.
Zbog toga sve veći broj naučnika širom svijeta razvija metode kojima bi se kod ljudi mogla sigurno izazvati hibernacija.
Dio tih istraživanja finansiraju Evropska svemirska agencija i NASA. Naučnici pokušavaju otkriti kako se pojedine životinje „isključuju“, a zatim ponovo „uključuju“ bez posljedica, čak i nakon više mjeseci provedenih bez hrane, vode i fizičke aktivnosti.
„Ovo je oblast koja mnogo obećava. Mogla bi potpuno promijeniti budućnost svemirskih putovanja“, kazala je Christiane Hahn, koja rukovodi istraživanjima iz oblasti svemirske biologije u Evropskoj svemirskoj agenciji.
Opasnosti svemirskog zračenja
Zračenje predstavlja jedan od najvećih problema tokom dugotrajnih svemirskih misija. Na Zemlji atmosfera zaustavlja većinu radioaktivnih čestica, ali u svemiru takva zaštita ne postoji.
Tokom dugog putovanja astronauti bi neprekidno bili izloženi opasnim nivoima štetnih iona. Te čestice mogu ostati zarobljene i unutar letjelice, čime se dodatno povećava šteta za putnike.
„Zaštita ljudi od zračenja u svemiru veoma je zahtjevna. Još nismo pronašli efikasno rješenje“, kazala je Hahn.
Istraživanja su pokazala da hibernacija pruža zaštitu upravo od takvih oštećenja.
Tokom hibernacije životinje usporavaju metabolizam, troše manje kisika, a njihova DNK postaje znatno kompaktnija, što je štiti od oštećenja izazvanih zračenjem. Osim toga, životinje koje hiberniraju imaju izuzetno efikasne mehanizme za obnovu DNK.
„Nevjerovatno je šta sve mogu uraditi“, kazala je fiziologinja sa Univerziteta Yale Elena Gracheva, koja vodi veliku koloniju trinaestoprugastih tekunica porijeklom iz srednjeg zapada SAD-a i Kanade.
Životinje se čuvaju u posebnom objektu za hibernaciju koji vjerno oponaša njihovo prirodno stanište.
„Njihov srčani ritam uspori na jedan otkucaj svakih nekoliko minuta, a tjelesna temperatura padne na svega četiri stepena Celzijusa, što je temperatura u frižideru. Ipak, one su i dalje žive“, istakla je Gracheva.
Ona proučava kako ove životinje uspijevaju preživjeti čak osam mjeseci bez vode. Tokom hibernacije neće piti čak ni kada im je voda dostupna.
Identifikovala je dio mozga poznat kao subfornikalni organ, koji, čini se, kontroliše ovaj proces, kao i molekulu koja nakon ubrizgavanja u taj dio mozga potpuno uklanja osjećaj žeđi.
Zanimljivo je da se ovaj dio mozga nalazi i kod vrsta koje ne hiberniraju, uključujući ljude.
Kako naučnici pokušavaju izazvati hibernaciju kod ljudi
Naučnici sada istražuju načine da „reprogramiraju“ ljudsku fiziologiju kako bi i ljudi mogli iskoristiti prednosti hibernacije.
Eksperimentišu s lijekovima, ultrazvukom i drugim metodama kojima bi ljude uveli u stanje poznato kao sintetička torporacija.
Iako se izrazi torpor i hibernacija često koriste kao sinonimi, naučnici ih uglavnom razlikuju. Torpor traje od nekoliko sati do jednog dana, dok hibernacija može trajati sedmicama ili mjesecima. Sintetička torporacija obuhvata oba oblika namjernog usporavanja metabolizma.
„To je definitivno izvodljivo“, kazala je biohemičarka Kelly Drew, profesorica na Institutu za arktičku biologiju Univerziteta Aljaske.
Drew već više od dvije decenije, uz finansijsku podršku NASA-e, proučava arktičke tekunice koje hiberniraju od augusta do maja, pri čemu im tjelesna temperatura pada sa 37 stepeni Celzijusa na temperaturu ispod tačke smrzavanja.
Njena istraživanja usmjerena su na to kako ove životinje štite mozak, srce i mišiće na tako niskim temperaturama, koje bi u normalnim okolnostima bile smrtonosne za žive ćelije.
Ona i njene kolege otkrili su da se tokom hibernacije miozin, jedan od ključnih mišićnih proteina, potpuno drugačije ponaša pri korištenju energije. To omogućava mišićima da prežive ekstremnu hladnoću bez oštećenja.
Potraga za ključnim mehanizmima
Posljednjih godina istraživači su uspjeli izazvati sintetičku torporaciju kod različitih životinjskih vrsta.
Gotovo svi eksperimenti do sada podrazumijevali su invazivne metode, najčešće neku vrstu operacije na mozgu.
Profesor fiziologije sa Univerziteta u Bologni Matteo Cerri usmjerio je istraživanja na ćelije u području mozga poznatom kao raphe pallidus, koje ima ključnu ulogu u regulisanju tjelesne temperature i potrošnje energije.
Iako takva istraživanja pomažu u objašnjavanju načina na koji proces funkcioniše, bilo bi nepraktično i neetično otvarati lobanju svakom svemirskom putniku svaki put kada treba ući u stanje torporacije ili se iz njega probuditi.
Zbog toga je od 2023. godine nekoliko istraživačkih grupa, među kojima su i naučnici sa Univerziteta Washington u St. Louisu, počelo koristiti neinvazivni ultrazvuk kako bi izazvali sintetičku torporaciju kod životinja.
Cerri i njegove kolege, čija istraživanja finansira Evropska svemirska agencija, nadaju se da će uskoro početi testirati ovaj pristup na zdravim ljudskim dobrovoljcima.
Hibernacija je izuzetno složen proces jer utječe na svaku ćeliju u organizmu, pa je gotovo sigurno da u njemu učestvuje više različitih „prekidača“.
Istraživač neuronauke sa Tehnološkog instituta Massachusetts Siniša Hrvatin identifikovao je još jednu regiju mozga za koju vjeruje da ima ključnu ulogu u ovom procesu.
U radu objavljenom početkom ove godine, koji još nije prošao stručnu recenziju, on i njegov tim usmjerili su pažnju na područje poznato kao preoptička oblast, koja ima važnu ulogu u regulisanju metabolizma i tjelesne temperature.
Aktiviranjem neurona u toj regiji kod hrčaka, istraživači su ih uspjeli uvesti u stanje torporacije, pri čemu je njihova tjelesna temperatura spuštena na svega 15 stepeni Celzijusa.
Hrvatin ističe da ovakvo nervno kolo vjerovatno postoji kod velikog broja životinjskih vrsta, uključujući i one koje uopće ne hiberniraju niti ulaze u torporaciju.
To bi moglo značiti da je stanje nalik hibernaciji moguće izazvati i kod životinja koje prirodno nemaju tu sposobnost.
„Ključni dijelovi ovog nervnog sklopa očuvani su kod različitih životinja. Mislim da ih možemo iskoristiti za promjenu načina na koji metabolizam funkcioniše“, rekao je.
Za sada nije poznato postoji li takvo nervno kolo i kod ljudi jer ga niko još nije detaljno istraživao. Hrvatin planira da se uskoro posveti tom pitanju.
Prvi eksperimenti na ljudima već su u toku
Pojedini naučnici već provode istraživanja na ljudima.
U studiji objavljenoj prošle godine istraživač sa Univerziteta u Pittsburghu Clifton Callaway davao je zdravim dobrovoljcima sedativ deksmedetomidin tokom pet dana.
Rezultat je bio pad metaboličke aktivnosti od oko 20 posto i smanjenje ukupne potrošnje kalorija za približno 30 posto.
U poređenju s onim što tekunice postižu tokom hibernacije, to je relativno skroman učinak. Ipak, Callaway, čije istraživanje također finansira NASA, smatra da bi i takvo usporavanje metabolizma moglo zaštititi putnike od dijela opasnosti dugotrajnih svemirskih putovanja.
Tokom višegodišnje misije čak bi i relativno malo smanjenje metabolizma moglo znatno povećati efikasnost.
„Za putovanje do Marsa i nazad bit će potrebno oko 300 kilograma hrane po astronautu. Ako tu količinu možete smanjiti za četvrtinu ili više, razlika postaje ogromna“, rekao je.
Šta nas još dijeli od ljudske hibernacije?
Većina stručnjaka smatra da će prva primjena hibernacije kod ljudi najvjerovatnije biti u medicini.
Hrvatin vjeruje da bi transplantacija organa mogla predstavljati prvi korak. Prema njegovim riječima, bilo bi relativno jednostavno aktivirati pojedine mehanizme hibernacije kako bi se produžilo vrijeme tokom kojeg organ ostaje održiv za presađivanje.
Istraživači već eksperimentišu s ovom idejom i otkrili su da ona može znatno produžiti vrijeme u kojem organi namijenjeni transplantaciji ostaju upotrebljivi.
Ipak, mišljenja stručnjaka razlikuju se kada je riječ o tome koliko će vremena biti potrebno da sintetička torporacija postane stvarnost za ljude.
Cerri spada među optimiste i vjeruje da bi se to moglo dogoditi u narednih deset do 15 godina.
Većina njegovih kolega smatra da će biti potrebno znatno više vremena. Christiane Hahn iz Evropske svemirske agencije procjenjuje da nas od toga dijeli još nekoliko decenija.
Ona i drugi istraživači upozoravaju da je prije primjene torporacije u svemirskim misijama ili medicini potrebno mnogo bolje razumjeti cijeli proces.
U suprotnom postoji opasnost od scenarija kakve danas gledamo u naučnofantastičnim filmovima.
„Izazivanje torporacije danas je prilično dobro proučeno. Međutim, buđenje iz tog stanja nije. Moramo biti sigurni da smo savladali oba dijela procesa“, zaključila je Hahn.