宇航员长期星际旅行中的休眠状态：科幻小说还是未来医学？

将宇航员置于人工休眠状态（或称为停滞性）以进行数月或数年的星际旅行，这一概念早已从科幻小说的页面转移到NASA、欧洲航天局（ESA）和私营公司（例如SpaceX）的严肃研究项目中。这个想法不再被视为情节手法，而是被视为解决载人火星和其他行星任务的关键技术，它能够克服关键的生理、心理和物流障碍。

1. 长途旅行的技术和医学挑战。

按照有活动乘员的传统情景，前往火星的旅行需要6-9个月的单程时间。这造成了复杂的问题：

资源消耗：乘员消耗氧气、水、食物，产生废物。对于长期任务，这需要巨大的有效载荷，使其在经济和技术上难以承受。

失重环境下的机体退化：尽管有体育锻炼系统，宇航员仍然会出现肌肉萎缩、骨骼脱矿（每月1-2%）、心血管变化和视力障碍。

心理压力：长时间处于封闭空间、单调乏味、远离地球、社会隔离以及潜在的人际冲突对心理健康构成严重风险。

辐射照射：在远离地球的深空，在没有地球磁层保护的情况下，乘员会受到银河宇宙射线和太阳质子事件的照射，这增加了癌症和神经系统损伤的风险。

可控停滞性理论上能够缓解所有这些问题。

2. 自然界的原型：冬眠和休眠。

科学家并不是从零开始发明休眠，而是试图复制和改进自然界中存在的机制：

鼹鼠、土拨鼠和蝙蝠的真实冬眠：代谢率降低85-99%，体温降至接近零的水平，心率呼吸频率降低。关键缺点是自发苏醒周期，这对机体来说是能量消耗的。

熊的冬眠：较浅但持续时间较长（长达6个月）的状态，体温和代谢率有所降低，不吃不喝不排泄废物，通过独特的生物化学适应（尿素再循环）保持肌肉和骨骼质量。

蜂鸟和小型哺乳动物的休眠：短暂的每日降低体温和代谢率以节省能量。

对于人类来说，理想的原型是熊的冬眠状态，因为它更适合大型哺乳动物，更易于管理和更安全。

3. 诱导停滞性技术：主要方法。

现代研究集中在几个方向上：

药物性冬眠：寻找和合成能够“切换”人体代谢为节能模式的物质。研究硫化氢（H2S）和腺苷具有前景，这些物质在动物中可以诱导休眠状态。2005年，美国科学家通过吸入含有少量硫化氢的空气，成功地将小鼠置于可逆的代谢性休眠状态，将氧气需求降低了90%。

治疗性低体温（目标性可控冷却）：这是现有的临床实践，用于心脏停跳或颅脑损伤后保护大脑。患者的体温降至32-34°C，持续几天。对于太空停滞性，需要更长时间和更深入的冷却（32°C，展望未来甚至更低）以及复杂的外部热交换和监控系统。

刺激大脑中的休眠中心：2020年，日本茨城大学的科学家通过刺激小鼠下丘脑中的特定神经元（Q神经元），使它们进入类似休眠的状态，持续几天，体温和代谢率可逆降低。这一突破性发现表明，直接神经控制这种状态是可能的。

有趣的事实：2014年，SpaceWorks Enterprises公司从NASA获得了研究“火星旅行休眠”概念（Torpor Inducing Transfer Habitat）的拨款。他们的项目建议将乘员置于治疗性低体温（32-34°C）的14天周期，期间有短暂的苏醒期用于进食和检查系统。据计算，这可以将飞船的重量减少30-50%，因为减少了生命维持系统的体积。

4. 优势和不解决的问题。

停滞性的优势：

减少乘员需求：资源消耗急剧降低，废物最小化。

抵御失重：在低温和低代谢状态下，肌肉萎缩和骨骼脱矿的过程应该会显著减慢。

降低辐射风险：代谢不活跃的细胞对辐射的损伤更小。

解决心理问题：对于乘员来说，时间感觉上“飞逝”，最大限度地减少了隔离的应激。

关键未解决的问题：

长期的肌肉萎缩和骨质疏松：即使在停滞性中，这些过程虽然减慢，但仍然会进展。需要开发肌肉电刺激技术在无意识状态下。

营养和水分：如何输送营养和维持水盐平衡？正在考虑完全胃肠外营养或定期苏醒的方案。

血栓和感染的风险：在低温和不活动状态下，血栓形成和免疫系统抑制的风险急剧增加。

对大脑的长期影响：在几个月的代谢减慢状态下，是否可能出现不可逆的认知障碍？低温对大脑的保护作用已知，但在这种规模上尚未研究。

系统的可靠性：停滞性胶囊的生命维持系统出现故障将是致命的。需要绝对可靠、双重的系统以及人工智能进行监控。

结论。

宇航员的休眠状态不再是纯粹的科幻，而是多学科科学和技术极端复杂性的任务。其解决方案位于神经生物学、低温生物学、生命维持系统和航天工程学的交汇点。尽管还需要数十年的研究和试验才能实现实际应用，但第一步已经迈出。在这个领域取得成功不仅将是航天领域的突破，也将是医学的伟大成就，能够通过管理代谢在临界状态下拯救生命。在这里的先驱者不仅包括工程师和宇航员，还包括生物学家，他们多年来一直在研究冬眠在洞穴中的熊和冬眠在冰窟中的土拨鼠。

Permanent link to this publication: