Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Astronauci, którzy hibernują podczas długich lotów kosmicznych, to typowy obraz w filmach z nurtu science ficiton. Czy to tylko fantazja? Na pewno hibernacja ludzi pomogłaby w długotrwałych misjach kosmicznych, podczas których członkowie załogi w drodze do odległych zakątków Układu Słonecznego zapadaliby na tygodnie lub miesiące w ochronny sen. Hibernacja podczas rocznej podróży na Marsa nie tylko zapobiegłaby nudzie podczas przebywania w maleńkiej kapsule statku kosmicznego. Zmniejszyłaby również koszty misji, ponieważ hibernujący członkowie załogi nie musieliby jeść ani pić, a nawet potrzebowaliby znacznie mniej tlenu niż ci, którzy nie śpią. Istnieją również inne korzyści. Badania na zwierzętach sugerują, że ciała hibernujących astronautów mogą się znacznie wolniej zużywać niż ciała osób aktywnych w mikrograwitacji. Po przybyciu na miejsce, obudzeni z hibernacji byliby więc sprawni i gotowi do rozpoczęcia trudnej eksploracji niemal od razu po odzyskaniu świadomości.

Z tych wszystkich powodów hibernacja, znana również jako letarg, od dawna jest chętnie wykorzystywana w filmach o kosmosie. Od Obcego do 2001: Odysei kosmicznej, gdzie fikcyjni podróżnicy przemierzali ogromne odległości, śpiąc w podobnych do kokonów kapsułach, podczas gdy maszyny AI i roboty androidy utrzymywały ich statki kosmiczne na stałym kursie.

Mimo że jest to motyw z gatunku science fiction, wprowadzanie ludzi w długotrwały letarg może nie być wcale tak nieprawdopodobnym pomysłem. Takiego zdania jest m.in. Jennifer Ngo-Anh, koordynatorka badań w dziale Human and Robotic Exploration w Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) i współautorka artykułu pt. Strategia hibernacji (letargu) Europejskiej Agencji Kosmicznej dla misji w głębokim kosmosie: połączenie biologii z inżynierią, który ukazał się w 2021 roku w czasopiśmie „Neuroscience & Biobehavioral Reviews”. Artykuł przedstawia podejście agencji do badań nad hibernacją. W zależności od dostępności funduszy, pierwsze próby ludzkiego letargu mogłyby rozpocząć się już w połowie lat 2030.

Długotrwałe misje kosmiczne na Marsa będą wiązały się z ekstremalnymi obciążeniami natury fizycznej i psychicznej dla załogi, jak również z istotnymi wyzwaniami logistycznymi i technicznymi dotyczącymi podtrzymywania życia i samego lotu. Główne wyzwania obejmują optymalizację masy całkowitej oraz utrzymanie zdrowia fizycznego i psychicznego załogi. Te kluczowe zakresy zostały podjęte jako podstawa badań przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) z wykorzystaniem jej projektowania współbieżnego, tzw. Concurrent Design Facility (CDF). Projektowanie współbieżne to dziedzina równoległego, zintegrowanego i przewidującego skutki, projektowania produkcji, co pozwala na poprawę konkurencyjności wyrobu poprzez zmniejszenie kosztów, zapewnienie jakości i skrócenie czasu przygotowania produkcji. Badania ESA skupiły się na biologii hibernacji w zakresie redukcji metabolizmu, a tym samym stresu, oraz na jej powiązaniach z infrastrukturą i podtrzymywaniem życia. Naukowcy biorący udział w badaniach stwierdzili, że letarg członków załogi może zmniejszyć obciążenie w odniesieniu do tlenu, żywności i wody, ale będzie wymagał kontroli i wspomaganego sztuczną inteligencją (AI) monitorowania załogi. Badania te dodatkowo oferują nowe potencjalne zastosowania w opiece nad pacjentami na Ziemi.

Zdecydowana większość dotychczasowych misji kosmicznych została dokonana przez roboty: sondy, łaziki czy liczne urządzenia naukowe umieszczone na pokładach statków kosmicznych. Misje te obejmowały światowej klasy badania naukowe, zaś wysłane przez ludzkość roboty  służyły jako nasi zwiadowcy zapuszczający się w nieprzyjazne środowiska i zbierający niezwykle ważne informacje, które w przyszłości umożliwią bezpieczniejszą eksplorację tych miejsc przez człowieka. Pełne partnerstwo pomiędzy ludźmi i robotami jest niezbędne dla eksploracji kosmosu, ponieważ tylko ludzie wniosą do misji elastyczność, zdolność adaptacji, doświadczenie, zręczność, kreatywność, intuicję i zdolność do podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym. Ludzie będą musieli zmierzyć się z niebezpiecznymi warunkami panującymi w przestrzeni kosmicznej, takimi jak promieniowanie słoneczne, wpływ mikrograwitacji na narządy, dekondycjonowanie, a także z różnymi wyzwaniami psychofizjologicznymi (np. wąskie wymagania dotyczące zakresu temperatur i ciśnienia). Duża część ładunku użytecznego będzie przeznaczona na podtrzymanie życia, takie jak żywność, woda, powietrze, eliminacja odpadów i recykling. Ponadto załoga podczas misji kosmicznych jest narażona na stres i związane z tym zaburzenia neurobehawioralne związane z długotrwałą podróżą w małym i zamkniętym pomieszczeniu.

Od dziesięcioleci agencje kosmiczne badają i rozwijają koncepcje i strategie transmutacji astronautów do stanu hipotermicznego i hipometabolicznego poniżej wszelkich znanych granic fizjologicznych. Dotąd uważano, że te stany mogą być jednak zbyt ryzykowne dla zdrowia astronautów. Ostatnio zmodyfikowano ten pogląd, sugerując jedynie umiarkowaną redukcję metaboliczną poprzez zastosowanie leków znanych z tłumienia metabolizmu. W tym przypadku pod uwagę brane jest zmniejszenie wymagań fizjologicznych astronautów poprzez sztucznie wywołane stany przypominające naturalny letarg, jak podczas hibernacji albo w sposób ciągły o długim czasie trwania lub z przerwami. Gdyby astronauci mogli tolerować ten naturalny stan fizjologiczny, radykalnie zmniejszyłoby to wymaganą ilość zapasów i wielkość habitatu, a także złagodziło poważne skutki uboczne mikrograwitacji oraz promieniowania, potencjalnie minimalizując efekty neurobehawioralne związane z nudą, samotnością i agresją.

Indukowany letarg może okazać się w rzeczywistości jedynym sposobem dla ludzi na dalekie podróże kosmiczne. Od dawna wiadomo, że utrata masy kostnej i mięśniowej to duży problem dla astronautów przebywających na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Mimo iż są tam dostępne zaawansowane technologicznie maszyny fitness i ścisłe przestrzegane protokoły ćwiczeń, astronauci tracą do 20% masy mięśniowej w ciągu miesiąca. Stopniowo słabną też ich kości. Badania pokazują, że skutki mikrograwitacji na ludzki organizm przypominają skutki długotrwałego leżenia w łóżku. Co ciekawe, stan hibernacji nie wydaje się powodować takich efektów. W przeciwieństwie do pacjenta dochodzącego do siebie po długiej chorobie lub śpiączce farmakologicznej, zwierzę budzące się z hibernacji wykazuje zaskakująco wysoki poziom sprawności.

Naukowcy uważają, że kluczem do ochronnych efektów stanu letargu jest fizjologia. Choć hibernacja powierzchownie przypomina sen, wewnątrz organizmu proces ten przebiega w zupełnie inny sposób. W przeciwieństwie do śpiącego mózgu, hibernujący mózg nie wytwarza prawie żadnej aktywności elektromagnetycznej. Tętno zwierzęcia w letargu spada do zaledwie kilku uderzeń na minutę, a temperatura jego ciała obniża się do poziomu, który w innym przypadku mógłby zostać uznany za niebezpieczną hipotermię. Nawet komórki, które tworzą ciało zwierzęcia, zaprzestają swojej zwykłej działalności polegającej na przetwarzaniu lub tworzeniu składników odżywczych, dzieleniu się i umieraniu. Według wszystkich biologicznych miar, stan letargu przypomina wciśniecie przycisku pauzy na życiu.

Pierwsze badania wykazały, że możliwe jest wywołanie u zwierząt, które zazwyczaj nie hibernują, takich jak szczury, i bezpieczne przywrócenie ich do życia kilka dni później. Proces wywoływania hibernacji jest dość skomplikowany i obejmuje zmniejszoną ekspozycję na światło dzienne oraz okres intensywnego karmienia, po którym następuje ścisły post. Szczury otrzymywały lek, substancję neuroprzekaźnikową i były wprowadzane do ciemnej przestrzeni o obniżonej temperaturze. Podczas badań nad letargiem u szczurów okazało się, że aby utrzymać stan letargu, trzeba wielokrotnie aplikować substancję, a to może mieć szkodliwe skutki, podczas długotrwałego dawkowania.

ESA przeprowadziła badanie Mission Concept and Requirements Assessment (MicRA), aby systematycznie oceniać prawdopodobieństwo i potrzeby badawcze w zakresie kontrolowanego wykorzystania letargu, czyli stanu obniżonej przemiany materii w trakcie hibernacji, jako narzędzia do lotów kosmicznych człowieka. Badanie to miało na celu uzyskanie przybliżonych danych na temat czasu, potencjalnych przeszkód i korzyści wynikających z szerokiego ograniczenia metabolizmu, jak się to dzieje u hibernujących ssaków. W badania zaangażowano szerokie grono ekspertów z różnych dziedzin. Zespół dokonał przeglądu aktualnego stanu wiedzy i ocenił wspólne podejście biologii i inżynierii do ograniczenia psychologicznych i neurobehawioralnych skutków długotrwałego lotu kosmicznego. Przeglądy i wyniki dyskusji tzw. zespołu tematycznego ds. hibernacji i letargu stanowiły punkt wyjścia do opracowania całościowego scenariusza obejmującego najbardziej aktualne rozumienie hibernacji, aby przewidzieć odpowiednie modele zwierzęce w celu opracowania scenariuszy podobnych do hibernacji dla ludzi, wraz z niezbędnymi systemami podtrzymywania życia, aspektami bezpieczeństwa i materiałami eksploatacyjnymi umożliwiającymi hibernację podczas długotrwałej misji na Marsa.

Opracowano na podstawie:
Astronauts that hibernate on long spaceflights is not just for sci-fi. We could test it in 10 years
European space agency's hibernation (torpor) strategy for deep space missions: Linking biology to engineering