Побороть атрофию мышц и раскрыть секреты анабиоза: можно ли приспособить человеческое тело к долгим космическим полетам и низкой гравитации

С самого начала космической эры человечество грезит полетами к другим планетам и даже звездам. И если выход за пределы Солнечной системы пока представляется делом отдаленного будущего, то постоянно обитаемые базы на Луне и Марсе могут появиться уже к середине текущего столетия. Вот только сперва инженерам и ученым предстоит решить множество проблем. Одна из них связана с атрофией мышц космонавтов в условиях невесомости и пониженной гравитации других небесных тел.

О том, как и почему атрофируются человеческие мышцы во время длительного пребывания за пределами Земли, смогут ли ученые когда-нибудь погружать космонавтов в долгий сон на время полетов и при чем тут суслики и медведи, Vokrugsveta.ru рассказал доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ) РАН Иван Вихлянцев.

Как мышцы человека атрофируются в невесомости

Наверняка каждый слышал, что людям, которые провели несколько месяцев на околоземной орбите, требуется курс обратной адаптации к земному тяготению. Казалось бы, причина понятна — в условиях невесомости человеческие мышцы подвергаются атрофии. Но механизмы этой атрофии изучены еще не до конца.

— Одна из задач нашей лаборатории заключается в том, чтобы исследовать мышечные параметры человека и животных в условиях моделируемой или реальной микрогравитации. Главный объект нашего интереса — так называемые гигантские белки, такие как титин, небулин, тяжелые цепи миозина, которые являются основными белками саркомеров (сократительная единица поперечно-полосатых мышц. — Прим. авт.). Мы отслеживаем, как мышцы и белки реагируют на невесомость, какие изменения происходят в них, — рассказывает Иван Вихлянцев.

Функция перечисленных гигантских белков заключается в поддержании структуры саркомеров, представляющих собой одни их самых высокоупорядоченных надмолекулярных структур в клетках живых организмов — настолько высок уровень сложности укладки слагающих их нитей актина, миозина, титина. Из саркомеров складываются так называемые миофибриллы — органеллы клеток поперечно-полосатых мышц, которые помогают им сокращаться.

Что же происходит с белками саркомеров во время космического полета? В невесомости и тесном пространстве космического корабля мышцам не находится достаточного объема работы. В результате изоформный (изоформа — любая из нескольких форм одного и того же белка) состав мышц меняется. Обычная структура саркомеров нарушается, мышцы становятся слабее, сокращаются уже не так активно. Все это негативно влияет на степень жесткости мышц, на их вязкоупругие свойства.

Ученые из ИТЭБ совместно с коллегами из Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН, изучают атрофию в том числе путем имитации невесомости в земных условиях. В этом случае применяется так называемая модель «сухой» иммерсии: человека кладут на лежащую на воде пленку — и он словно парит на ней.

Есть ли потенциальные возможности для того, чтобы существенно снизить негативные эффекты от атрофии мышц и ускорить их восстановление? Похоже, ответ на этот вопрос за миллионы лет эволюции смогла найти сама природа.

Большой секрет маленького суслика

Многие животные ежегодно погружаются в длительную спячку. К примеру, во сне несколько месяцев проводят медведи, барсуки, ежи, суслики и другие звери. За это время их мышцы тоже атрофируются, но очень быстро приходят в норму.

— Когда, к примеру, суслик выходит из зимней спячки, он почему-то способен, несмотря на мышечную атрофию, практически сразу куда-то бежать, кусаться, драться, добывать корм и пр. То есть даже в этом состоянии он не испытывает никаких проблем с двигательной активностью, и никаких нарушений — ни в сердце, ни в скелетных мышцах. Потом он начинает усиленно питаться, восстанавливать мышечную массу — и вот он уже такой же активный и сильный, как до спячки, — рассказывает Иван Милентьевич.

Если бы атрофированные мышцы космонавтов восстанавливались столь же легко и быстро! Увы, пока ученым не удалось до конца раскрыть секрет суслика, хотя кое-что интересное узнать удалось.

— Когда происходит атрофия в условиях космического полета, страдают сократительные параметры мышц, уменьшается их сила. При этом у человека разрушаются самые высокомолекулярные изоформы гигантского белка титина. А вот у суслика, напротив, эти изоформы титина сохраняются, а уменьшаются более низкомолекулярные. Благодаря этому мышечная ткань поддерживает свою структуру саркомеров на должном уровне, и животное выходит из спячки без каких-либо патологических последствий, — объясняет Вихлянцев.

Тут необходимо пояснить, как происходит разрушение белков. Для этого существуют ферменты, именуемые протеазами. Протеаза — это своего рода «ножницы», которые разрезают белок на мелкие составляющие — аминокислоты. Их можно использовать в качестве топлива для получения срочно необходимой организму энергии, либо как стройматериал для создания других белков.

Также протеазы исполняют функцию «уборщиков»: ликвидируют старый или поврежденный белок, который больше не работает. Именно это и происходит в атрофированных мышцах. В контексте мышечной атрофии особое значение имеют так называемые кальпаиновые протеазы. Активатором для них служат ионы кальция — как только их уровень в клетке повышается, что обычно происходит при каких-то встрясках организма, кальпаиновые протеазы начинают разрушать белки поблизости.

Самое удивительное заключается в том, что у сусликов в спячке этот механизм работает по-другому — почему-то кальпаиновые протеазы расщепляют у сусликов только низкомолекулярную форму титина. А у человека (а также у крыс и мышей, побывавших в космосе) разрушаются именно высокомолекулярные формы. Поэтому для людей атрофия мышц оборачивается физической слабостью и риском повреждения мышц при повышенных нагрузках.

Хорошо было бы создать некое вещество для сохранения в мышцах высокомолекулярных изоформ титина. Но чтобы получить эту «волшебную таблетку», нужно найти ответы на множество вопросов.

— Почему при одном типе атрофии разрушаются более высокомолекулярные изоформы белка, а при другом типе, в других условиях подвергаются разрушению формы более низкомолекулярные? Какие именно протеазы действуют в каждом из этих случаев? Может быть, во время атрофии имеют место какие-то изменения в РНК? Куча вопросов, а ответить на них мы сейчас не можем, потому что нужно финансирование для дальнейших исследований, — сетует Вихлянцев.

Жизнь в неземной гравитации

В последнее время все более актуальной становится тема жизни человека в условиях не отсутствия, а пониженной гравитации. Сейчас готовится целых два проекта, предполагающих постоянное пребывание человека на Луне.

США свое возвращение на Луну хотят осуществить в рамках программы «Артемида» (Artemis). Это набор миссий возрастающей степени сложности: в 2026-м предполагается совершить пилотируемый облет Луны на корабле «Орион» (Orion), а годом позже — первую с 1972-го высадку астронавтов на лунную поверхность. В дальнейшем при международном участии планируется создание лунной орбитальной станции Lunar Gateway, которая станет лабораторией и перевалочным пунктом для осуществляющих долгосрочные миссии на Луне астронавтов.

Одновременно разрабатывается и проект строительства на Луне Международной научной лунной станции (МНЛС), в котором участвуют Китай, Россия и еще с десяток стран. Первоначально МНЛС планировалось создать к 2030 году, но затем этот срок сдвинули по меньшей мере на пять лет.

Даже если воплощение этих двух проектов пойдет с отставанием от графика, уже в обозримой перспективе люди будут находиться на Луне неделями и месяцами. Что же случится с их мышцами на естественном спутнике, где сила тяжести примерно в шесть раз меньше земной?

— Со временем у них произойдет какое-то уменьшение мышечной массы — но, возможно, не слишком большое, поскольку люди и там будут активно двигаться… Впрочем, «лунатикам» в любом случае придется привыкать ходить не так, как мы, земляне. В условиях микрогравитации будут наблюдаться атрофические изменения мышц; плотность костей тоже снизится — но эти изменения окажутся далеко не столь катастрофическими, как в условиях обычного космического полета, — предполагает Вихлянцев.

Он заостряет внимание на том, что у человека, в отличие от ходящих на четвереньках других приматов, максимально развиты «медленные» тонические волокна, которые отвечают за длительное поддержание позы и держат в тонусе всю нашу двуногую конструкцию. Таким образом, люди эволюционно приспособлены выдерживать гравитационную нагрузку, свойственную Земле.

— На Луне, скажем через полгода, у человека в процессе адаптации атрофируются наверняка в большей степени именно тонические волокна. А быстрые, вероятно, останутся на прежнем уровне, потому что человек там будет много двигаться. А вот когда он вернется на Землю, то на первых порах ему придется нелегко… Представьте, что на вас навесили груз в пятьдесят килограммов и заставили бежать. Вот то же самое испытает человек, вернувшийся с лунной базы, — отмечает ученый.

По мере расселения людей на разных небесных телах может произойти их разделение на фактически разные биологические виды. При этом глубина физиологических изменений окажется в прямой зависимости от степени силы тяжести на планетах, где придется обитать человеку будущего.

— Пластичность человеческого организма вполне нам позволяет эволюционно развиваться дальше. И да, это может занять не одну сотню лет, но уж точно даже не тысячи, — полагает Иван Милентьевич.

Но сперва потребуется добраться до небесных тел, расположенных дальше Луны и Марса. Как доставить туда людей, если полет займет долгие годы?

От сусликов к медведям

Благодаря режиссерам и писателям, специализирующимся в жанре научной фантастики, мы прекрасно знаем, что такое криогенный сон: экипаж звездолета погружается в анабиоз и выходит из него лишь когда конечная цель уже близка.

С точки зрения необходимости беречь скудные ресурсы, которые можно взять с собой на корабль, анабиоз приносит огромную экономию на продуктах питания или кислороде: спящему организму их требуется значительно меньше. Опять же, меньше психологических трений, конфликтов и ссор, от которых не застрахован даже самый сплоченный экипаж…На данный момент, однако, работающих технологий такого рода не существует. А реально ли их создать принципе?

По словам Вихлянцева, и в этом случае нам тоже следует внимательнее присмотреться к братьям нашим меньшим, обладающим способностью впадать в спячку. Ведь у них долгому сну сопутствует снижение температуры тела — это и есть настоящий природный анабиоз.

— Гипометаболизм — это удивительное явление природы. Снижать температуру своего тела могут многие животные. Но если, скажем, медведи могут уменьшить ее лишь на несколько градусов, то те же суслики — до нуля и даже чуть ниже. Конечно, там у них в организме не вода, а кровь, лимфа и другие жидкости, которые не замерзают примерно до минус двух или трех градусов, — объясняет Иван Милентьевич.

При этом он сразу предупреждает: превращать человека в кусок льда нельзя — если в организме вдруг образуются кристаллы льда, то они просто разорвут все или большинство клеток тканей.

— Замораживать человека точно нельзя — разморозить будет невозможно. А вот снизить температуру его тела — это да. Весь вопрос — какая температура является пороговой? Были научно-популярные статьи с утверждениями о том, что изредка людям удавалось выживать где-нибудь в горах даже при охлаждении тела до 20 °C или ниже. Однако это очень редкие случаи. Обычно, если температура тела человека снижается уже до 28 °C, то наступает фибрилляция сердца и оно останавливается. Кислород прекращает поступать к тканям, органам, пять-семь минут — и наступает смерть, — поясняет Вихлянцев.

Вопрос о том, до какой предельной температуры можно охлаждать человеческое тело, остаётся дискуссионным и по сей день.

Главная проблема заключается в том, как «научить» сердце продолжать свою работу в очень холодной среде, сохраняя собственную температуру +30 °C, необходимую для его работоспособности. Впрочем, задача эта отнюдь не выглядит нерешаемой, особенно на фоне других технологических вызовов, с которыми придется столкнуться человечеству при освоении искусства далеких космических полетов.