Může se člověk dostat do stavu hibernace? Jaký je to pocit hibernovat? Možná je to jako spánek beze snů? Nebo se cítíte chladně, v depresi, bezmoci nebo jako byste umírali? Zůstává vědomí nebo schopnost cítit bolest např. ve stavu hibernace? A zůstaneš po probuzení stejnou osobou?
Hibernace je velmi zvláštní stav, který je těžké pochopit – nejen jako fyziologický stav těla, ale i jako subjektivní stav vědomí.
Za prvé, jedním z hlavních účelů hibernace je úspora energie. Bez energie naše tělo a mozek prostě nemohou fungovat. Jen několik sekund bez kyslíku způsobí ztrátu vědomí a několik minut může vést ke smrti. Snížené metabolické nároky umožňují přežít mnohem déle s minimálním přísunem kyslíku nebo výživy, proto je hibernace v živočišné říši tak rozšířená. Díky úsilí vědců víme hodně o energetickém metabolismu v buňkách našeho těla, o tom, jak mozek řídí tělesnou teplotu nebo jak hormony regulují náš metabolismus. Ale ještě úplně nerozumíme tomu, jak se zvířata rozhodují, kdy a jak vstoupit do tohoto úžasného stavu hibernace.
Když jsem byl postgraduálním studentem na univerzitě v Curychu, naše laboratoř studovala křečky džungarské, velmi zajímavý druh hlodavce, který pravidelně praktikuje to, čemu se říká denní strnulost. Stačilo zkrátit dobu denního světla jen na několik týdnů, aby jejich fyziologie přešla do zimního „režimu“. Křečci změnili barvu ze šedé na bílou a téměř každý den trávili několik hodin jako omámení. Dalo se to zkoumat například měřením jejich tělesné teploty, která klesla téměř na pokojovou teplotu a tep se několikrát snížil. Je zajímavé, že vědci zjistili, že většina zvířat vstupuje do stavu strnulosti prostřednictvím spánku. Zdá se, že k tomu musíte nejprve usnout, jako by spánek „otevřel bránu“ do stavu hibernace.
Avšak hibernace nebo torpor nemohou nahradit spánek. Bylo například pozorováno, že svišti nezůstávají strnulí celou zimu, ale pravidelně, každý týden nebo dva, se asi den zahřívají a kupodivu značnou část těchto „probuzení“ tráví spánkem. Křečci také usnuli pokaždé, když se probudili z neklidu – jako by byli unavení z hibernace, a poté potřebovali odpočinek nebo zotavení!
Nyní přejděme k hlavní otázce – může Homo sapiens stále hibernovat?
Otázka, zda lidé mohou hibernovat, je jednou z mála globálních otázek, která je stále „legitimně“ doménou vědy i science fiction, spolu například s možností teleportace nebo nahrání vědomí do počítače. Jisté je, že pokud bude hibernace u našeho druhu možná, bude mít širokou škálu uplatnění – od vesmírných cest na velké vzdálenosti až po medicínu zde na Zemi.
Musím říct, že zatím není jasné, jak to nakonec bude vypadat. Ve sci-fi filmech jsou lidé ve stavu hibernace obvykle zobrazováni ležící v těchto složitých kapslích, zcela nehybní a zjevně bez vědomí a schopnosti reagovat na podněty. Tento stav se často nazývá „pozastavená animace“ nebo kryospánek. Kryo zahrnuje nízké teploty, často pod bodem mrazu, a ačkoli to zní docela extrémně, ve skutečnosti existují zvířata, která mohou přežít tělesné teploty pod bodem mrazu vody. Je to dáno tím, že mají složité fyziologické mechanismy, které zabraňují tvorbě ledových krystalků v buňkách těla. To však není nutně to, co s námi vědci udělají – nejsme k tomu stvořeni! Myšlenkou hibernace u Homo sapiens je především prostě zpomalit rychlost metabolismu, ideálně bez ochlazení těla!
Další otázkou je, jaký je to pocit být v hibernaci, a zde máme na mysli subjektivní pocit. Není například známo, zda se nám budou zdát sny, zda budeme zažívat nějaké nepohodlí, nebo dokonce vnímat, co se kolem nás děje. Hluboké omezení fyziologických procesů během hibernace přirozeně ovlivní mozek, a proto bude mít významný dopad na smyslové zpracování a chování. Víme, že mozek je během spánku velmi aktivní, i když ne tak aktivní jako během bdění! Ale je úžasné, jak málo víme o tom, co se děje v mozku během hibernace! Mám podezření, že během hibernace člověk zažije nějaký druh změněného stavu vědomí, kdy čas přestane existovat nebo se pohybuje pomaleji.
V jistém smyslu je tato charakteristika hibernace jedním z klíčových bodů, proč se vlastně chceme naučit, jak lidi do tohoto stavu uvést. Představte si cestu na vzdálenou planetu nebo jen dlouhý let do vesmíru. I když pomineme zjevné úvahy, že k udržení astronautů naživu po mnoho měsíců nebo let na kosmické lodi jsou potřeba další zásoby kyslíku, vody a jídla, bude mít psychologický faktor pro úspěch mise velký význam. Být v omezeném prostoru a nemít možnost ani vidět planetu Zemi, natož si uvědomit, že to může být jednosměrná cesta, s největší pravděpodobností nebude snadné. Hibernace poskytne příležitost k odpojení, úniku z drsné reality a zapomnění. Jak pohodlné by bylo, kdyby astronauti mohli zůstat vzhůru, jen když je to nutné! Určitá forma cestování časem.
Mnoho zvířat totiž tímto způsobem využívá hibernaci! Jen si to představte: sezónní „zimní spánci“, jako jsou svišti, možná ani nevědí o existenci zimy, zůstávají ve stavu bezvědomí od jednoho letního období k druhému, možná si ani neuvědomují, že ztratili (nebo spíše získali?) několik měsíců. jejich života.
Je však třeba poznamenat, že nás čeká ještě mnoho výzkumů, abychom vyloučili možnost negativních důsledků hluboké hibernace pro lidské tělo a mozek. Bylo například zjištěno, že během hibernace u zvířat procházejí určité molekuly bílkovin v mozku podobnými změnami, jaké byly pozorovány u pacientů s Alzheimerovou chorobou. Navíc, pokud víme, během hibernace dochází k částečné ztrátě synaptických spojení mezi nervovými buňkami. Obojí se obnoví krátce po probuzení z hibernace, takže jde o naprosto úžasný příklad toho, jak plastické jsou naše mozky! Pokud pochopíme, jak jsou tyto procesy regulovány u zvířat, která pravidelně hibernují, otevře se nám zcela nové perspektivy v léčbě neurodegenerativních onemocnění u lidí.
Jedinou překážkou je, že stále nevíme, jak u lidí vyvolat hibernaci! A je těžké říci, zda jsme při řešení tohoto problému na správné cestě! Vyvolat patologický, umělý stav hypometabolismu, například ochlazením těla, se nezdá být zvláštním problémem. To se již dělá. Ale neměli bychom se snažit přijít na to, jak „dobrovolně“ přezimovat jako ostatní zvířata?
Vezměte si například spánek, další úžasný stav bytí. Všichni jsme odborníci na spánek – koneckonců spíme každou noc! Nepotřebujeme vědět, co je spánek nebo jak usnout, jsme na něj jednoduše naprogramováni a usneme bez potíží. Proč jsme ztratili schopnost hibernace?
Existují případy, kdy lidé přežili podchlazení například na Everestu nebo v ledové vodě a léčebná hypotermie se pravidelně používá při operacích srdce. Existují druhy primátů, které se snadno ukládají k zimnímu spánku, a pokud víme, není u nás nic zvláštního, co by nám v zimním spánku bránilo. Vypadá to, že jsme jen zapomněli, jak to udělat.
Zde je vhodné se opět vrátit k otázce, co je to vlastně za stav – hibernace? Zdá se mi, že bychom měli uvažovat o hibernaci na kontinuu stavů našeho těla z hlediska interakce s vnějším světem. Na jednom konci spektra je aktivní bdělost, kde jste agentem plně ovládajícím své prostředí. Můžete to změnit nebo aktivně hledat příznivější podmínky pro přežití. Tato strategie je spolehlivá, ale energeticky náročná. Druhým extrémem je hibernace, kdy se organismus blíží tepelné rovnováze s prostředím a stává se prakticky jeho součástí. Když k tomu dojde, hibernující zvířata fakticky přestanou existovat jako nezávislí, autonomní jedinci, a to je cena za možnost šetřit energii.
Proč jsme my lidé zvolili první strategii? Možná jsme zapomněli na hibernaci, protože jsme se naučili rozdělávat oheň a stavět teplé domy? Nebo je to proto, že jsme zapomněli interpretovat signály z prostředí, které byly pro naše předky významné a pomáhaly jim spustit hibernační program? Vrátíme-li se ke křečkům, o kterých jsem mluvil dříve, není pozoruhodné, že stačí vnímat, že se dny zkracují, aby úplně změnili svou fyziologii a začali každý den upadat do stavu strnulosti!
Jsem si naprosto jistý, že hibernace mezi sapieny se brzy stane realitou. Existuje mnoho příkladů, kdy autoři sci-fi předpovídají (nebo spíše inspirují!) vynález budoucích technologií dávno předtím, než byly vyvinuty – od rádia, televize nebo počítačů až po samotné cestování vesmírem. Není pochyb o tom, že dříve nebo později naše vědecké chápání hibernace bude k dosažení tohoto cíle stačit, zvláště pokud nám s tím pomohou financující agentury a investoři.
Podle mého názoru není hibernace u lidí něco, čeho bychom se měli snažit dosáhnout jen ze zvědavosti nebo pro krátkodobý zisk. To je něco mnohem víc a logický další krok v naší evoluci. Hibernace je cesta do neznáma a možná i nový a jedinečný zážitek. Jsme my – lidé – připraveni znovu získat jedinečnou schopnost hibernace, kterou mnoho jiných živých organismů prostě vnímá jako řádnou součást své existence?
Pokud uspějeme, získáme mnoho jedinečných výhod. Vědci se nyní například shodují, že když mluvíme o hibernaci, mluvíme nejen o úspoře energie, ale také o přežití klimatických katastrof. To budeme s největší pravděpodobností v budoucnu potřebovat, pokud jde nejen o přírodní, ale i lidmi způsobené krize. Ve stavu sníženého metabolismu potřebujeme méně kyslíku, lépe snášíme záření, dokážeme přežít nízké teploty a nedostatek potravy a pravděpodobně budeme odolnější vůči toxickým látkám.
Co když se hibernace stane jedinou skutečnou strategií přežití lidstva? Doufám, že jednoho dne, v nepříliš vzdálené budoucnosti, bude u Homo sapiens možná hibernace a my si na vlastní kůži vyzkoušíme, jaké to je hibernovat.
Podle výpočtů NASA se uvedením astronautů do hibernace sníží objem raketoplánu 6krát a hmotnost o 52–68 %. Pojďme zjistit, jak se vědci snaží uvést lidi do hibernace pomocí inertních plynů a stimulace oblastí mozku
Hibernace, kryospánek, pozastavená animace – který stav je vhodný pro lety do vesmíru
Hibernace, kryospánek a pozastavená animace jsou často považovány za synonyma: ve všech třech případech se fyziologické procesy zpomalí nebo úplně zastaví. Rozdíl spočívá v tom, jak se tělo ponoří do jednoho nebo druhého stavu a jak jej opustí.
Kryospánku — ochlazení těla na extrémně nízké teploty (asi minus 196℃) pomocí kapalného dusíku. Aby krev nekrystalizovala a neničila cévy, nahrazuje se nemrznoucími roztoky. V dnešní době se takto uchovávají kmenové buňky a dárcovská krev. Lidé a zvířata se zmrazují až po mozkové smrti v soukromých laboratořích – například v Rusku to dělá firma Kriorus. Živé organismy nejsou kryokonzervovány, protože po ní nejsou obnoveny fyziologické procesy.
Lidé a zvířata ve stavu kryokonzervace jsou v kontejnerech – dewarových (Foto: kriorus.ru)
Některé organismy spadají do anabióza – stav, kdy se životní procesy zcela zastaví. Tak například bakterie a plísně přežívají v extrémně nízkých teplotách, nízké vlhkosti a dalších nepříznivých podmínkách. Savci neupadají do pozastavené animace – jejich životní procesy se zpomalují, ale nezastavují.
HibernaceNebo hypobióza, – stav zpomalení fyziologických procesů, kdy se snižuje tělesná teplota, dechová a srdeční frekvence a metabolická aktivita. To se stává zvířatům, která v sezóně hibernují, jako jsou medvědi, svišti a netopýři. Po probuzení se jejich tělesné funkce obnoví. Aby mohli vědci létat ve vesmíru, snaží se člověka uvést do hibernace.
Pro zvířata je hibernace ochranným mechanismem, který jim pomáhá přežít v období nedostatku potravy (Foto: depositphotos.com)
Proč astronauti během letu spí?
Úspora zdrojů a prostoru
Během hibernace nebudou astronauti potřebovat jídlo v obvyklé formě – látky nezbytné pro tělo budou dodávány prostřednictvím systému podpory života. Snížením zásob jídla a vody na palubě se sníží hmotnost raketoplánu a k letu bude potřeba méně paliva.
Kosmické lodě budou kompaktnější, protože astronauti budou ležet ve spánkových kapslích, aniž by se pohybovali po kabině. Agentura NASA vypočítali, že pro posádku 4–6 osob by se objem obytného modulu snížil šestkrát a celková hmotnost vybavení, jídla a osobních věcí by se snížila o 52–68 %.
Radiační ochrana
Ve vesmíru dostává člověk 200krát více záření za den než na Zemi. Tato hladina byla zaznamenána na povrchu Měsíce. Kvůli nedostatku atmosféry není zemská družice chráněna před zářením, takže indikátory odpovídají záření ve vesmíru. To je ekvivalentní tomu, jako kdyby astronaut podstupoval rentgenové vyšetření hrudníku 5-6krát denně. Zvýšené radioaktivní záření zkracuje délku života a může způsobit rakovinu.
Ve stavu hibernace je tělo lépe chráněno před zářením než v bdělém stavu. Zjistili to vědci z Boloňské univerzity: krysy uměle hibernovali a vystavili je rentgenovému záření. Analýza orgánové tkáně ukázala, že pro zvířata v hibernaci bylo záření méně nebezpečné ve srovnání s krysami, které byly ozářeny ve stavu aktivity.
Kromě fyziologického aspektu je zde i jeden technický. Podle Jasona Derletha, inženýra a ředitele Institutu pro pokročilé koncepty NASA, když jsou všichni astronauti v jedné části lodi a nehýbou se, je snazší a levnější ji ochránit před radiací než celý raketoplán.
Udržování duševního zdraví posádky
Let do vesmíru je náročnou zkouškou pro lidskou psychiku. Za prvé, členové posádky spolu tráví dlouhou dobu v uzavřeném prostoru, daleko od rodiny a přátel. Hlavními psychologickými faktory, podle kterých jsou astronauti vybíráni, jsou vysoká tolerance vůči ostatním, nekonfliktnost a schopnost týmové práce. Ale vztahy mezi členy posádky se mohou v průběhu letu stále zhoršovat, což má vliv na úspěch programu.
Za druhé, cirkadiánní rytmy astronautů, které regulují období odpočinku a aktivity, jsou narušeny. Když ale astronauti obíhají, Slunce „zapadá“ nebo „vychází“ každých 45 minut, takže denní cyklus není rozdělen na den a noc, jako na Zemi. Z tohoto důvodu tělo nechápe, kdy má spát a kdy zůstat vzhůru, což může vést k pocitu neustálé únavy a podrážděnosti. Pokud jsou astronauti ve stavu hibernace, lze se vyhnout negativním důsledkům pro jejich psychiku spojeným s dlouhodobou izolací a poruchami spánku.
Evgeniy Fesenko, kandidát biologických věd, zástupce ředitele pro výzkum, vedoucí kryobiologické laboratoře Ústavu buněčné biofyziky, Federální výzkumné centrum PSCBI RAS:
“Kromě úspory kyslíku, vody a jídla zahrnují potenciální výhody hibernace ochranu před kosmickým zářením a také udržení duševního zdraví během letu.”
Jak se vědci snaží navodit umělou hibernaci
Projekt „Technologie umělé hypobiózy“
«Technologie umělé hypobiózy„je společný projekt Nadace pro pokročilý výzkum a Ústavu buněčné biofyziky Ruské akademie věd. Cílem výzkumu bylo vytvořit lék, který by člověka uvedl do umělé hibernace.
Projekt byl dokončen v roce 2018: vědci vyvinuli komplexní farmaceutickou kompozici, která také obsahovala inertní plyn xenon. Lék byl testován na králících a potkanech, u kterých po injekci klesla teplota o 7℃ a metabolismus se zpomalil o 70 %. Po 10–15 hodinách se zvířata vrátila do normálu.
Podle vedoucí laboratoře mechanismů přirozených hypometabolických stavů Biologického ústavu Ruské akademie věd, kandidátky biologických věd Naděždy Zakharové, se pomocí injekcí podařilo udržet potkany v zimním spánku po dobu sedmi dnů. Jakmile lék projde předklinickým testováním toxicity, začne vývoj technologie pro lidi. Ale jednou z překážek širokého použití může být vysoká cena xenonu: objem plynu potřebný k udržení anestezie po dobu dvou hodin stojí asi 300 dolarů.
Experimentujte se sirovodíkem
V roce 2005 vědci z Centra pro výzkum rakoviny v Seattlu zjistili, že sirovodík navozuje stav hibernace u myší, které přirozeně nehibernují. Když zvířata požila plyn, jejich metabolismus se postupně zpomalil o 90 %. Také poté mohli strávit asi sedm hodin dýcháním vzduchu s obsahem kyslíku 3-5% – myši za takových podmínek obvykle umírají za 20 minut. Normální koncentrace kyslíku v atmosféře je 20 %.
Pokus se pokusili zopakovat na ovcích, ale ukázalo se, že pomocí sirovodíku je nemožné přezimovat velká zvířata. Malé dávky na ně nemají žádný účinek a velké dávky jsou příliš toxické a vedou ke smrti.
Aktivace určitých neuronů
V roce 2020 dvě skupiny vědců – z Harvard Medical School a Tsukuba University – nezávisle na sobě objevily neurony u myší, které regulují stav hibernace. Vědci zamířili chemikáliemi na specifickou část mozku zvířat. Po stimulaci neuronů se tělesná teplota myší snížila a metabolismus se zpomalil.
Jak vědci vysvětlili výsledek, i savci, kteří nehibernují, mají ochranný mechanismus hibernace. Aktivuje se při nedostatku kalorií – hlavní známka nepříznivých podmínek. Bylo prokázáno, že stimulace určitých neuronů uvede myši do hibernace, i když jim dostanou dostatek potravy. Podobné experimenty na lidech zatím nebyly provedeny, ale vědci věří, že se tento objev stane základem pro budoucí výzkum.
Snížení teploty
Během zimního spánku se tělesná teplota zvířat snižuje, je tedy možné, že bude možné zimní spánek vyvolat i u lidí. Krátkodobá umělá hypotermie (snížení teploty) se používá již v medicíně, například při resuscitaci při zástavě srdce.
Chlazením se do žíly vstříkne katétrem chladicí roztok, který cirkuluje v těle a zpomaluje metabolismus. To umožňuje oddálit nástup nevratného poškození mozku způsobeného nedostatkem kyslíku. Lékaři mají více času na resuscitaci. Hlavním problémem hypotermie je zastavit dysfunkci různých orgánů způsobenou nadměrnou hypotermií.
Technické aspekty
Vědci z Mnichovské univerzity, Evropské kosmické agentury (ESA) a letecké inženýrské společnosti SpaceWorks nezávisle na sobě představili návrhy, jak by vypadal let do vesmíru, kdyby se astronauti uložili do hibernace. Koncepty popisují konstrukci spánkové kapsle, systémy podpory života a další technické aspekty.
Spací kapsle. Vědci z mnichovské univerzity Ludwiga Maximiliana navrhují vyvinout speciální kontejnery, ve kterých budou astronauti pobývat během hibernace. Soft-shell kapsle udrží optimální podmínky pro hibernaci: tlumené osvětlení, teploty pod 10℃, vysoká vlhkost. Pro sledování zdraví každého astronauta budou potřeba senzory. Evropská kosmická agentura vyvinula podobný projekt s jednotlivými kapslemi.
Koncept hibernační kapsle od Evropské vesmírné agentury (Foto: ESA)
SpaceWorks navrhuje jiný přístup: místo jednotlivých kapslí umístěte členy posádky do společné válcové komory. Bude se muset otáčet a vytvářet umělou gravitaci, aby udržela tonus muskuloskeletálního systému a krevních cév.
Systém podporující život. SpaceWorks navrhuje vyvinout IV systém, který by dodával astronautům živiny intravenózně. Evropská kosmická agentura naopak věří, že v hibernaci budou lidé schopni přežít, jako zvířata hibernují přirozeně – přijímají sacharidy a bílkoviny z nahromaděné tukové tkáně.
Periodická probuzení. Podle všech tří koncepcí by každý astronaut trávil v hibernaci najednou maximálně určité množství času. Probuzení bude potřeba hlavně ke kontrole vašeho zdraví a případně k uzdravení. Během bdění si členové posádky budou moci také zpestřit stravu a komunikovat s blízkými, pokud mají spojení.
Ve službě. Snad se astronauti probouzejí střídavě, takže 1-2 lidé jsou vždy vzhůru. Sledovali by stav ostatních, kontrolovali přesnost trasy a stav lodi, vedli hlášení a komunikovali se Zemí. Předpokládá se ale, že tuto roli může plnit umělá inteligence.
Jevgenij Fesenko:
„Podle mého názoru při vyslání malých posádek do deseti lidí na expedice v rámci sluneční soustavy nebude hibernace nárokována. Když je nutné zvýšit počet přepravovaných osob na 100, 1 000 nebo více osob, může být hibernace dobrým řešením, pokud inženýři v této době dosáhli limitů zvýšení užitečného zatížení kosmické lodi (užitečné zatížení je hmotnost zařízení, pro které je vypuštěn raketoplán). Technologie kryozmrazování celého organismu s jeho následnou obnovou by posunula vyhlídky na cestování vesmírem na zásadně jinou úroveň, ale její vývoj je ještě daleko.“
Kritika myšlenky lidské hibernace
Někteří vědci se domnívají, že uvedení člověka do stavu podobného hibernaci bude fungovat jen na krátkou dobu – například na operaci. Neurovědec Craig Heller ze Stanfordské univerzity tvrdí, že dlouhodobá hibernace pro astronauty je nemožná. Během letu se astronauti aktivně zapojují do sportu, ale jejich svaly stále ztrácejí hmotu – podle vědce několik měsíců spánku bez pohybu jednoduše zničí tělo.
Heller se také domnívá, že na rozdíl od zvířat se lidé nejsou schopni přizpůsobit nižším teplotám a pomalejšímu metabolismu. Většina enzymů a biochemických sloučenin funguje v teplém prostředí a bez nich tělo nebude schopno fungovat.
Jevgenij Fesenko:
„Ze známých typů hibernace by pro člověka byla teoreticky nejvhodnější obdoba zimního spánku medvěda s poklesem teploty maximálně o 5–7 °C a čtyřnásobným zpomalením metabolismu. Dosažení podobných ukazatelů u lidí například pomocí farmakologických léků ale není jediným problémem, který je třeba v rámci rozvoje technologie umělé hibernace řešit. Medvědi mají mechanismy, které zabraňují svalové atrofii během hibernace. Není zdaleka jisté, že tyto mechanismy lze reprodukovat.
U medvědů je navíc doba hibernace 3–6 měsíců, přičemž délka cesty např. na Mars se odhaduje na 7–10 měsíců. Pravděpodobně si takové období vyžádá změnu období hibernace a bdění, což také komplikuje situaci.“
