«Вечером мы погрузимся в спячку»

Технология погружения человека в состояние искусственной спячки очень пригодится для будущих межпланетных перелетов, с ее помощью можно было бы спасать заблокированных в шахтах горняков и терпящих бедствие подводников. Разработку такой технологии поддерживает Фонд перспективных исследований (ФПИ), в рамках этого проекта ученые с помощью препарата на основе ксенона продержали крыс в искусственной гибернации в течение семи дней. уже писал о планах ФПИ по поводу разработки методик жидкостного дыхания (и заодно узнавал, зачем надо было топить таксу). Теперь мы решили разобраться в том, насколько реалистичны мечты о гибернации человека и что это на самом деле такое — спячка.

Что такое спячка?

В кино и литературе анабиоз и подобные ему состояния — совершенно рутинное явление. Белоснежка впадает в спячку, съев отравленное яблоко, Фрай из Футурамы проводит в криогенной камере тысячу лет, а люди будущего совершают межзвездные перелеты, коротая время в гибернации — иногда по сотне лет, как герои «Пассажиров». В реальности, несмотря на то, что многие виды животных действительно обладают способностью к гибернации, создать такое состояние для человека искусственным путем — совсем не простая задача.

Множество терминов, относящихся к состояниям замедленного метаболизма — анабиоз, оцепенение, спячка, гибернация, торпор, диапауза, сопор — можно разделить на две большие категории: анабиоз и гипобиоз.

Слово «анабиоз» означает «возвращение к жизни», и это самое сильное замедление метаболизма, на которое способен живой организм. Лучше всего переживать неблагоприятные, смертельные для других организмов условия могут споры бактерий и цисты простейших, а также знаменитые своей поразительной живучестью тихоходки. В состоянии анабиоза эти мельчайшие организмы способны выдерживать экстремальные охлаждения до -217 градусов Цельсия, кипячение в течение нескольких часов, облучение и даже пребывание в открытом космосе.

Для более сложных организмов подобная «полная остановка» метаболизма невозможна, но в природе встречается много вариаций его замедления. Одна из них, оцепенение, встречается у пойкилотермных (холоднокровных, не поддерживающих постоянную температуру тела) животных — рептилий, земноводных, рыб, насекомых. Во время зимнего оцепенения температура их тела может опускаться ниже нуля. Животные, готовящиеся промерзнуть до костей, накапливают в клетках криопротекторные вещества — например, глицерин или сахарозу, чтобы защитить их от повреждений кристаллами льда.

Особый вид оцепенения, описанный очень подробно для насекомых, — диапауза — может наступать на любом этапе развития организма (онтогенеза), при этом развитие останавливается и откладывается до лучших времен.

Эти и другие формы пониженной функциональной активности, такие как спячка или гипотермия, объединяются термином гипобиоз. Он может быть как естественным — в виде адаптивного механизма, позволяющего организму подстраиваться под меняющиеся условия окружающей среды, так и искусственным.

Как спят теплокровные?

Гомойотермные — теплокровные — животные впадают в спячку, чтобы переждать неблагоприятные условия. Зимняя спячка (гибернация) помогает переждать холода и недостаток пищи, а летняя (эстивация) — жару и засуху. Впадая в спячку, гомойотермные животные фактически теряют на время способность поддерживать температуру тела, поэтому их еще называют гетеротермными, поскольку иногда они теплокровные, а иногда нет.

Во время спячки замедляется дыхание, сердцебиение и нервная деятельность, а температура тела снижается. В спячку впадают некоторые грызуны, насекомоядные, летучие мыши, медведи и даже птицы. Считалось, что приматы не впадают в спячку, пока в 2004 году не выяснилось, что толстохвостый лемур () семь месяцев в году проводит в спячке, спрятавшись в дупло, чтобы пережить жаркий сезон на Мадагаскаре.

У разных животных продолжительность спячки может сильно различаться: желтый суслик () спит около девяти месяцев, а колибри () — всего сутки; у бурого медведя температура тела падает до 31 градуса Цельсия, а у земляных белок рода до -2.

Важно понимать, что спячка — это не глубокий сон, а совершенно другой физиологический процесс. Более того, у большинства животных периоды низкого метаболизма (torpor) во время спячки каждую неделю или две сменяются периодами обычного сна — при этом у них повышается температура и изменяется активность мозга. На эти периодические «пробуждения» тратится до 90 процентов всей энергии, затрачиваемой на спячку, а значит, они очень важны для организма.

Спячка также не является комой. Сильное патологическое торможение работы центральной нервной системы во время комы вызывает нарушение согласованности работы всех систем организма, пульс может как учащаться, так и замедляться, нарушения кровообращения мозга могут вызвать необратимые изменения. Спячка же — это слаженный регулируемый процесс. Создание искусственной спячки для млекопитающих затруднено в том числе потому, что ее механизмы разнообразны и не до конца изучены. Рассмотрим этот процесс на примере сусликов.

Как спят суслики?

Спячка у суслика начинается с подготовки: зверьки накапливают подкожный жир, в частности бурый — особый тип жировой ткани, клетки которой богаты митохондриями. Такая ткань способна выделять огромное количество тепла, и именно она помогает разогреть тело, и в первую очередь сердце, во время периодических пробуждений и выхода из спячки. Бурый жир есть не только у сусликов и других зимоспящих видов, но и у людей. Особенно хорошо он развит у человеческих младенцев — бурый жир компенсирует недостаточно развитую терморегуляционную систему новорожденных и позволяет им переносить холод лучше взрослых (и лучше, чем кажется взрослым).

Суслики также делают себе глубокую зимовочную нору — это безопасное место для спячки (hibernaculum), где температура гораздо выше и более стабильна, чем на улице. Процесс засыпания регулируется гипоталамо-гипофизарной системой, запускающей каскад гормональных изменений, в том числе снижение выработки тироксина, регулирующего поддержание температуры тела.

Еще одним пусковым механизмом спячки сусликов являются изменения клеточного метаболизма и экспрессии генов. Митохондриальная активность в клетках резко снижается, поскольку основными источниками энергии вместо углеводов становятся липиды. Также происходит снижение скорости транскрипции и трансляции за счет обратимого фосфорелирования нескольких ферментов, регулирующих транскрипцию, а также за счет регуляции работы ферментов в зависимости от температуры. Во время спячки у сусликов активно синтезируется белок лептин, способствующий накоплению жира, а также α2-макроглобулин, улучшающий микроциркуляцию при замедленном кровообращении и предотвращающий свертывание крови.

Снижение температуры воздуха становится сигналом для запуска всех систем, регулирующих спячку: суслик затыкает входное отверстие норы землей и впадает в оцепенение. В отличие от обычного сна, когда зверьку достаточно шороха, чтобы вскочить и убежать, в состоянии оцепенения суслик не реагирует на внешние раздражители.

Температура тела зверька перестает поддерживаться на обычном уровне в 37-38 градусов Цельсия и снижается практически до температуры среды — 2-4 градусов, превышая ее не более чем на пару градусов. Понижение температуры сопровождается замедлением метаболизма, в первую очередь сердцебиения и дыхания. Частота сердцебиения и дыхания сокращается у сусликов иногда в сто раз — с 400 ударов в минуту до всего четырех, и со 100 дыханий в минуту до одного.

Способствует ли охлаждение гипобиозу?

Чтобы проверить, как охлаждение отразится на состоянии животных, был проведен ряд экспериментов. Так, в 2005 году ученым из Питтсбургского университета удалось погрузить собак в состояние гибернации на два часа, после чего их вернули к жизни практически без повреждений мозга. Чтобы этого добиться, исследователи заменили кровь собак на холодный физраствор, охладив тем самым их тела до 10 градусов Цельсия.

Подобный эксперимент на свиньях провели ученые Бостонского университета. Вдобавок они сымитировали ситуацию тяжелой травмы, как при огнестрельном ранении или повреждении артерии. Когда свиньи потеряли примерно половину своей крови, оставшуюся кровь заменили охлажденным физраствором. Температура тел животных достигла десяти градусов, после чего им зашили поврежденные сосуды и вернули кровь. Все выжившие животные не имели долговременных нарушений здоровья и сохранили нормальную способность к обучению.

Терапевтическая гипотермия сейчас широко используется в медицине при травмах мозга и сердечных приступах у людей. Температуру тела снижают до 32 градусов, при этом у пациента замедляется сердцебиение и снижается давление, а обмен веществ замедляется. Это увеличивает время жизни клеток, что важно при проведении сложных операций.

Удивительный случай гипотермии произошел в 2001 году в Канаде. Годовалая девочка Эрика Нордби вышла на улицу в одном подгузнике при температуре воздуха -11 градусов. Когда девочку нашли, ее тело успело остыть до температуры 16 градусов, а сердцебиения не было уже около двух часов. После отогревания и реанимационных мер девочка полностью восстановилась. Это происшествие вдохновило Марка Рота (Mark Roth) на исследование искусственного гипобиоза у рыбок данио-рерио, вызванного недостатком кислорода.

Самый продолжительный случай гипобиоза у человека был зарегистрирован в 2006 году с 35-летним Мицутака Утикоси в Японии. Мужчина заблудился в горах, получил перелом таза и потерял сознание. Температура его тела упала до 22 градусов, пульс едва прощупывался. В таком состоянии его нашли спустя 24 дня. После лечения мужчина полностью восстановился.