Сотни видов животных могут впадать в спячку. Скорость обмена веществ в их организме снижается в десятки раз. Они не могут есть и почти не дышат. Это состояние продолжает оставаться одной из величайших научных загадок. Решение этой проблемы может привести к прорывам во многих областях, от онкологии до космических полетов. Ученые хотят погрузить человека в спячку.
«Я год проработала в Швеции и целый год не могла заставить сусликов уснуть», — признается Людмила Крамарова, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино).
На Западе детально прописаны права лабораторных животных – Декларация прав человека отдыхает. Но эксперименты по изучению гибернации проводить нельзя.
– Вопрос в том, а зачем им спать, если в домике суслика тепло и сыто от пуза? Суслики не глупы. Здесь, в нашей лаборатории, они бы со мной быстро заснули!
Добрая Людмила Ивановна сурово стучит пальцем по столу и рассказывает о лабораторном суслике, жившем у нее дома. «Сюся!» — позвала она с порога. «Плати-плати!» – ответил суслик, которого вообще не приручить. Эта Суся дома ни разу за три года не уснула. Зимой, когда в квартире стало заметно холоднее, он залез под радиатор и погрел голову. "Почему?" — спрашивает Людмила Ивановна. Может быть, регуляторный центр гибернации находится где-то в мозгу? Ученые пока не знают. Природа спячки — одна из главных интриг современной биологии.
Временная смерть
Благодаря Microsoft наш язык пополнился еще одним модным словом — спящий режим. Это название режима, в котором Windows Vista входит в компьютер с целью минимизировать энергопотребление. Машинка вроде бы выключена, но все данные при этом сохраняются: нажал кнопку – и все заработало, как ни в чем не бывало. То же самое происходит и с живыми организмами. Тысячи различных видов – от примитивных бактерий до продвинутых лемуров – способны временно «умирать», что по-научному называется спячкой, или гипобиозом.
Классический пример – суслики. Что вы знаете о сусликах? Обычные такие грызуны из семейства беличьих. Они роют свои норки, едят траву, размножаются. Когда наступает зима, суслики уходят под землю. Вот тут-то, с научной точки зрения, и происходит самое интересное. Спячка суслика может длиться до 8 месяцев. На поверхности мороз иногда доходит до -50, лунка промерзает до -5. Тогда температура конечностей животных падает до -2, а внутренних органов до -2,9 градусов. Кстати, во время зимовки суслик спит подряд всего три недели. Потом выходит из спячки на несколько часов, а потом снова засыпает. Не вдаваясь в биохимические подробности, скажем, что он просыпается, чтобы пописать и потянуться.
Замороженный суслик живет в замедленной съемке: частота пульса падает с 200-300 до 1-4 ударов в минуту, дыхание эпизодическое - 5-10 вдохов, а затем полное их отсутствие в течение часа. Кровоснабжение головного мозга снижается примерно на 90%. Ничего подобного обычный человек пережить не сможет. Он даже не способен стать похожим на медведя, температура которого во время спячки довольно сильно падает – с 37 до 34-31 градуса. Нам бы хватило этих трех-пяти градусов: организм еще несколько часов боролся бы за право сохранить частоту сердечных сокращений, ритм дыхания и восстановить нормальную температуру тела, но когда энергетические ресурсы иссякнут, смерть неизбежна.
волосатая картошка
Знаете ли вы, как выглядит суслик, когда он спит? — спрашивает Зариф Амирханов, старший научный сотрудник Института биофизики клетки. «Как картошка из погреба. Жесткий и холодный. Только пушистый.
А суслик тем временем похож на суслика – весело грызет семена. Нелегко представить себе, что это веселое существо могло вдруг ни с того ни с сего впасть в ступор и провести так большую часть года, а потом опять ни с того ни с сего «выпасть» из этого ступора.
Одна из загадок гипобиоза в том, что животное вполне способно самостоятельно регулировать свое состояние. Изменение температуры окружающей среды для этого совершенно не обязательно – лемуры с Мадагаскара впадают в спячку. Раз в году они находят дупло, затыкают вход и ложатся спать на семь месяцев, снизив температуру тела до +10 градусов. А на улице при этом все те же +30. Некоторые суслики, например туркестанские, тоже могут впадать в спячку в жару. Дело не столько в температуре вокруг, сколько в обмене веществ внутри: скорость обмена веществ падает на 60-70%.
«Понимаете, это совершенно другое состояние организма», — говорит Зариф. – Температура тела снижается не как причина, а как следствие. Активируется другой регуляторный механизм. Изменяются функции десятков белков, клетки перестают делиться, в общем, организм полностью перестраивается за несколько часов. А потом за те же несколько часов восстанавливается обратно. Никаких внешних воздействий.
Дрова и печь
Уникальность спячки в том, что животное может сначала остыть, а затем согреться без посторонней помощи. Вопрос в том, как?
«Это очень просто», — говорит Людмила Крамарова. «Бурая жировая ткань, ты слышал?
У всех теплокровных животных, включая человека, есть этот загадочный бурый жир. Причем у младенцев его гораздо больше, чем у взрослого. Долгое время его роль в организме была вообще непонятна. На самом деле есть обычный жир, почему еще и коричневый?
– Так вот, оказалось, что бурый жир играет роль печки, – объясняет Людмила, – а белый жир – это просто дрова.
Бурый жир способен прогревать тело от 0 до 15 градусов. И тогда в работу включаются другие ткани. Но то, что мы нашли печь, не означает, что мы поняли, как заставить ее работать.
«Должно быть что-то, что включает этот механизм», — говорит Зариф. – Меняется работа всего организма, а значит, есть некий центр, который всем этим управляет и запускает.
Аристотель завещал изучать спячку. Нельзя сказать, что наука занимается именно этим уже 2500 лет. Серьезно эту проблему начали рассматривать лишь 50 лет назад. Главный вопрос: что в организме запускает механизм гибернации? Если мы его найдем, мы поймем, как это работает, а если мы поймем, как это работает, мы узнаем, как вызвать гибернацию у тех, кто не спит. В идеале мы с вами. Это логика науки. Однако при гипобиозе нормальная логика не работала.
Все началось с конца. В 1952 году немецкий исследователь Кролл опубликовал результаты сенсационного эксперимента. Вводя в организм кошек и собак экстракт мозга спящих хомяков, ежей и летучих мышей, он вызывал у неспящих животных состояние гипобиоза. Когда проблемой стали заниматься более внимательно, оказалось, что фактор гипобиоза содержится не только в мозге, но и вообще в любом органе спящего животного. Крысы послушно впадали в спячку, если им вводить плазму крови, желудочные экстракты и даже просто мочу спящих сусликов. От стакана сусличьей мочи засыпали и обезьяны. Эффект воспроизводится стабильно. Однако он категорически отказывается воспроизводиться при всех попытках выделить то или иное вещество: моча или кровь вызывают гипобиоз, а их компоненты по отдельности — нет. Ни у сусликов, ни у лемуров, ни вообще у кого-либо из зимующих животных в организме не было обнаружено ничего, что отличало бы их от всех остальных.
Поиски фактора гипобиоза ведутся уже 50 лет, но результат практически нулевой. Ни гены, отвечающие за спячку, ни вещества, вызывающие ее, не найдены. Неясно, какой орган отвечает за это состояние. Различные эксперименты включали в список «подозреваемых» и надпочечники, и гипофиз, и гипоталамус, и щитовидную железу, но каждый раз оказывалось, что они были лишь участниками процесса, а не его инициаторами.
«Понятно, что далеко не весь спектр веществ, находящихся в этой грязной фракции, эффективен», — говорит Людмила Крамарова. — Ну хотя бы потому, что они у нас тоже в основном есть. Сусликами изучены тысячи белков и пептидов, ответственных за нашу жизнь. Но ни один из них – по крайней мере напрямую – не связан с спячкой.
Точно установлено, что в организме спящего суслика меняется только концентрация веществ, но образуется ли там что-то новое, пока неизвестно. Чем дальше продвигаются учёные, тем больше они склоняются к мысли, что проблема не в загадочном «факторе сна».
«Скорее всего, это сложная последовательность биохимических событий», — говорит Крамарова. – Возможно, действует коктейль, то есть смесь определенного количества веществ в определенной концентрации. Возможно, это каскад. То есть последовательное воздействие ряда веществ. Причем, скорее всего, это давно известные белки, которые есть у каждого.
Оказывается, гибернация — это уравнение со всеми известными. Чем проще, тем сложнее решить.
Полный хаос
С возможностью впадать в спячку природа устроила полный бардак. Кормление малышей молоком, кладка яиц, поддержание постоянной температуры тела – эти качества аккуратно развешены на ветвях эволюционного древа. Причем гипобиоз может ярко проявляться у одного вида и в то же время полностью отсутствовать у его ближайшего родственника. Например, сурки и суслики из семейства беличьих спят в своих норках по полгода. А сами белки и не думают засыпать даже в самую суровую зиму. Но в спячку впадают некоторые летучие мыши (летучие мыши), насекомоядные (ежи), сумчатые и приматы (лемуры). Но они даже не троюродные братья сусликам.
Некоторые птицы, рептилии, насекомые спят. В общем, не очень понятно, на каком основании природа выбрала именно их, а не других, зимующими. И она выбрала? Даже те виды, которые вообще не знакомы со спячкой, при определенных условиях легко догадываются, что это такое. Например, чернохвостая луговая собачка (семейство грызунов) засыпает в лабораторных условиях, если ее лишить воды и еды и поместить в темное холодное помещение.
Думается, логика природы основана именно на этом: если виду для выживания необходимо пережить сезон голода, у него в запасе есть вариант с гипобиозом.
«Похоже, мы имеем дело с древним регуляторным механизмом, который присущ вообще любому живому существу», — думает вслух Зариф. – И это наводит нас на парадоксальную мысль: неудивительно, что суслики спят. Странно то, что мы сами не впадаем в спячку. Возможно, мы были бы вполне способны к гипобиозу, если бы все в эволюции развивалось по прямой линии, то есть по принципу прибавления новых качеств при сохранении старых.
Однако, по мнению ученых, человек в отношении спячки не совсем безнадежен. Австралийские аборигены, ныряльщики за жемчугом, индийские йоги умеют минимизировать физиологические функции организма. Пусть этот навык достигается долгими тренировками, но он достигается! До сих пор ни одному ученому не удалось погрузить человека в полноценную спячку. Наркоз, летаргический сон, кома — состояния, близкие к гипобиозу, но они имеют иную основу и воспринимаются как патология.
Эксперименты по введению человека в спячку скоро начнут украинские медики. Разработанный ими метод основан на двух факторах: высоком уровне углекислого газа в воздухе и низких температурах. Возможно, эти эксперименты не позволят нам до конца понять природу гибернации, но хотя бы превратят гипобиоз в полноценную клиническую процедуру.
Пациента отправили спать
В период спячки суслику не страшен не только холод, но и основные сусличьи недуги: ишемия, инфекции, онкологические заболевания. От чумы бодрствующее животное погибает за сутки, а если оно заражается в сонном состоянии, ему все равно. Перед медиками открываются огромные возможности. Тот же наркоз – не самое приятное состояние для организма. Почему бы не заменить его более естественной спячкой?
Представьте ситуацию: больной находится на грани жизни и смерти, часы идут. И часто этих часов не хватает, чтобы сделать операцию или найти донора. А в спячке практически любое заболевание развивается как в замедленной съемке, и речь идет уже не о часах, а о днях, а то и неделях. Если дать волю своему воображению, то можно представить, как безнадежные больные погружаются в состояние гипобиоза в надежде, что когда-нибудь будут найдены необходимые для их лечения средства. Нечто подобное делают и фирмы, занимающиеся крионикой, только они замораживают уже умершего человека, а восстановить организм, пролежавший десять лет в жидком азоте, вряд ли реально.
Механизм спячки может помочь разобраться в самых разных недугах. Например, болгарский учёный Веселин Денков в своей книге «На краю жизни» предлагает обратить внимание на биохимию спящего медведя: «Если учёным удастся получить в чистом виде вещество (предположительно гормон), попадающее в организм из гипоталамуса медведей, с помощью которого регулируются жизненные процессы во время спячки, они затем смогут успешно лечить людей, страдающих заболеваниями почек.
Пока врачи очень настороженно относятся к идее использования гибернации. И все же опасно иметь дело с явлением, которое до конца не изучено.