.
«На Марс во сне: экспедиция под газом»
[«Г И П О Б И О З К Л А Т Р А Т Н Ы Й»]
Полёты на Марс давно стали самым привычным делом — правда, только в фантастических романах и фильмах. А что в реальности — можем ли мы долететь до Марса ? Он как будто находится не так уж и далеко от нас: вращаясь вокруг Солнца, Марс и Земля периодически сближаются, так что расстояние между ними уменьшается порой до 55,76 млн км.
Современный космический корабль на химическом двигателе может развивать скорость в 12 км/сек, а на такой скорости полёт от Голубой планеты до Красной должен занять вроде бы всего каких-то два месяца ?
Но в действительности космонавтам потребуется затратить на полёт значительно больше времени — потому что планеты не стоят на месте, и лететь придётся не по прямой. Кроме того, время полёта зависит и от количества горючего, которое придётся израсходовать и которое нужно везти с собой.
При подготовке межпланетного перелёта необходимо будет учитывать ещё и то, что для обратного полёта на Землю космонавтам, как это ни прискорбно, придётся ждать следующего противостояния планет. Поэтому общая продолжительность экспедиции на Марс в итоге составит почти три года.
Напрашивается вопрос: реально ли вообще запереть людей на такой срок в очень тесном замкнутом пространстве космического корабля, пусть и комфортабельного, но всё равно лишённого многих удобств, к которым привыкли люди ? Причём экипаж космического судна будет подвергаться опасности от космического излучения, которое будет усиливаться во время солнечных вспышек.
— Что уж после этого говорить про полёты на другие, более отдаленные планеты !
Поэтому специалисты в области космической медицины указывают на перспективность использования при продолжительном космическом полёте такого природного явления как гипобиоз.
Гипобиоз (от hypo — под, внизу и bios — жизнь) — состояние сниженной жизнедеятельности организма, когда температура становится заметно ниже нормальной, но при том остаётся стабильной.
Гипобиоз может проявляться по-разному, но в любом случае происходит замедление обмена веществ и снижение активности. Всем известная зимняя спячка медведей, барсуков, сусликов и других животных — это он и есть. Различают естественный гипобиоз — состояние, наблюдаемое в природе при определённых условиях у различных животных, и искусственный — клинический аналог природного.
Кроме того, есть экспериментальные данные о том, что зимоспящие животные в состоянии спячки более устойчивы к ионизирующей радиации, а ведь такая радиация — одна из главных космических опасностей. Космонавты в состоянии гипобиоза будут легче переносить воздействие космических лучей.
Вернемся ненадолго на космический корабль. Обычно человеку необходимо в сутки около 360–430 литров кислорода (при 15–16 вдохах в минуту), 2,2 л воды для питья, 0,5 кг сухой пищи и 1,8 л воды для санитарных нужд. То есть годовой запас всего этого для марсианской экспедиции составит около 2 т. на одного космонавта. Но никакая космическая экспедиция не может состоять из одного человека, и если взять команду, например, из пяти человек, то вес запасов жизнеобеспечения для полёта на Марс и обратно составит 30 тонн.
Однако если космонавты будут находиться в гипобиозе, количество запасов можно значительно уменьшить — так, воды и еды можно взять на 70% меньше. Кроме того, корабль избавится от жилых помещений, а складские отсеки будут в нём поменьше, чем на корабле, на котором команда живёт полной жизнью — значит, корабль в целом получится меньше и легче, а значит, потребует меньше топлива для полёта.
И вот начиная с 1960-х годов многие лаборатории мира, независимо друг от друга, стали экспериментировать с консервацией тканей и органов при слабоположительных температурах и повышенном давлении инертных газов. Исследователи обнаружили, что биологические объекты, насыщенные ксеноном или аргоном, долго остаются неповреждёнными — например, крысиную почку, которую обычно использовали в качестве экспериментальной модели, удавалось сохранять на протяжении восьми дней (эксперименты К. Руиле в 1970 году, выполненные при +2°С и давлении ксенона 3 атм., и аналогичные эксперименты В. И. Шумакова при +2–4°С и давлении аргона 1,5–2,0 атм.). Это был клатратный гипобиоз.
Клатратный гипобиоз и есть панацея — именно для полёта на Марс.
С конца 1960-х годов по 1990-е при кафедре оперативной хирургии и топографической анатомии 1-го Московского медицинского института имени И. М. Сеченова (ныне Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова), а потом при Всесоюзном научном центре хирургии АМН СССР (ныне ФГБУ «Российский научный центр хирургии имени академика Б. В. Петровского» РАМН) стала работать научная группа, которую возглавил академик В. В. Кованов. Группа объединила специалистов самого разного профиля, занимавшихся разными способами консервации тканей. (Интервью с академиком Ковановым было опубликовано в журнале «Наука и жизнь» в 1985 году, в № 7 — Губарев И. «Цель — химический анабиоз, или вторая жизнь формалина».)
В 1980-е годы сотрудникам Кованова удалось разработать новый уникальный метод долгосрочного хранения тканей и органов. Суть метода заключалась в том, что биологический образец не только охлаждали, но и подвергали давлению. В биообъекте формировались микрокристаллогидраты инертных газов (смесь аргона, ксенона и криптона), становясь зародышевыми кристаллами для частиц льда.
Но лёд этот, в отличие случаев обычного замерзания, был неопасен для клеток и тканей, поскольку благодаря газовым гидратам он формировался по всему объему образца сразу.
Для дальнейшей криоконсервации организм охлаждали до температуры жидкого азота (–196 °С) — таким образом органы сохранялись in situ («на месте»), их не «вынимали» из тела и не производили с ними никаких манипуляций.
Но самое главное ! Перед заморозкой животные, которых предварительно «накачали» инертными газами и подвергли глубокой гипотермии, впадали в гипобиоз — их органы сохраняли жизнеспособность. (Вслед за группой Кованова похожих результатов добились исследователи из Института медико-биологических проблем РАН под руководством В. Н. Ананьева, использовавшие в своих опытах с животными те же газы).
Данные эксперименты в группе Кованова показали, что ещё при нормальном атмосферном давлении можно достичь максимальной глубины гипотермии в 0°С простым охлаждением поверхности тела обычной проточной ледяной водой. А благодаря применению на этом фоне инертных газов, крысы впадали в гипобиотическое состояние, что позволяло сохранить органы жизнеспособными затем и в замороженном состоянии.
Если же опыт останавливали на стадии гипотермии (до 0°С), то крыс можно было вернуть обратно к нормальной температуре — выживаемость животных была 100-процентной, и никаких признаков патологии у них не проявлялось.
Кстати это именно сотрудники научного подразделения Кованова впервые ввели в медико-биологический лексикон такое известное сегодня понятие как — «Клатратный гипобиоз».
Подытоживая, можно сказать, что особые свойства инертных газов, которые при определенных условиях забирают себе клеточную воду, помогают быстро и эффективно затормозить и обмен веществ, и работу нервных сетей — в результате организм не так сильно сопротивляется охлаждению, так что в гипотермию с гипобиозом его можно погрузить с меньшим риском.
То есть, тормозя обмен веществ с помощью газового метода, можно провести гипотермию с большей эффективностью — так, чтобы организм скорее погрузился в гипобиоз. Нужно только насытить биологический объект клатратообразующими газами.
Но в гипобиоз вводят не только инертные газы. Так, сотрудники Университета штата Вашингтон и Центра онкологических исследований имени Фреда Хатчинсона, работающие под руководством М. Рота обнаружили, что H2S (сероводород, или сульфид водорода) даже в очень небольших количествах может вводить мышей в состоянии гибернации.
Камеру с мышами заполняли воздухом, в котором было всего лишь 0,008% H2S. И уже через пять минут подопытные животные вдыхали вдвое меньше кислорода и выделяли на 60% меньше углекислого газа по сравнению с обычным состоянием. После этого камеру охладили от 25°С до 13°С. Через пять часов после начала эксперимента интенсивность метаболизма животных упала в десять раз, температура тела мышей снизилась с 37°С до 15°С.
К концу опыта подопытные делали менее десяти вдохов и выдохов в минуту (против ста двадцати в нормальных условиях); в таком состоянии они оставались шесть часов. Затем камеру заполняли чистым воздухом, температуру которого постепенно доводили до 25°С градусов. Через 2–3 часа мыши уже начинали нормально дышать и двигаться, никаких отклонений в поведении у них не наблюдалось. Но, например, овцы и свиньи под воздействием H2S к гипобиозу вообще не переходят.
Некоторые перспективы в смысле гипобиоза демонстрирует углекислый газ — известно, что он на порядок эффективнее азота. Исследователи под руководством С. Мельничука показали, что многие животные создают себе гипобиотические условия, увеличивая концентрацию СО2. Например, пчёлы перед зимовкой собираются в большой клубок, в середине которого и создаётся высокая концентрация углекислого газа, который помогает им погрузиться в спячку.
Углекислый газ и сероводород, конечно, получать дешевле, чем инертные газы, однако не будем забывать, что у последних есть огромное преимущество — они не вступают почти ни в какие химические реакции и не могут произвести в клетках, органах и тканях какие-либо химические изменения.
К тому же благодаря искусственной атмосфере, созданной на основе инертных газов, можно полностью исключить пожароопасную ситуацию на космическом корабле, взявшим курс на Марс.
.