NASA資助「冷凍休眠」研究 星際旅行或成真

NASA資助「冷凍休眠」研究 星際旅行或成真

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　　「地球是人類的搖籃，但是人類不可能永遠生活在搖籃裡。」這是現代火箭之父齊奧爾科夫斯基說過的豪言壯語。迄今為止，人類已經登上月球，從另一個視角遙望自己的家園。但是，人類的一大步跨得還不夠遠。交通工具無法支撐、攜帶的乾糧補給不夠等都限制著人類離開「搖籃」，實現星際旅行航行，去尋找去地球「親戚」。

　　當然，這一切都已經在科幻電影中實現了——在一系列如《阿凡達》《星際穿越》的科幻電影中，太空人通過「冷凍休眠」技術降低身體的新陳代謝，利用更少的補給實現更長距離的星際旅遊。近日，美國宇航局（NASA）正式宣布，將資助亞特蘭大航空工程公司（SpaceWorks）研發類似「假死」技術，在漫長的星際旅行中讓太空人進入短期冷凍休眠狀態。

　　在真實太空任務中，人類太空人所需補給將對任務執行產生直接影響。很明顯，讓太空人進入短期冷凍休眠狀態，將令太空旅行走得更遠效率更高。 ●南方日報駐京記者 王騰騰 策劃統籌 張志超

　　1.冷凍休眠提高太空旅行效率

　　根據報導，在星際航行期間，SpaceWorks設計的冷凍休眠艙將使太空人進入惰性麻木狀態，即短期的冷凍休眠狀態。在這個狀態下，太空人的生理活動降低，通常表現在體溫降低，新陳代謝速度下降等。這將大大減少太空人對外界物質的需求，進而大幅減少所攜帶的補給品。

　　SpaceWorks執行長約翰·布拉德福特說，人類太空人處於「假死」狀態始終被視為長期太空飛行的最佳解決方案。根據設計方案，SpaceWorks的睡眠艙非常小，位於飛船的中心節點或船員艙附近，可允許太空人直接進出。布拉德福特說：「我們認為，4—6名太空人的補給需求可降至5—7噸，而非當前的20—50噸。太空人棲息艙所需空間大約為20平方米，而當前大多數設計需要200平方米。」

　　當太空人處於冷凍休眠狀態時，身上將掛滿各種傳感器，以便於讓其他清醒的太空人隨時監控他們的狀態。太空人將通過全胃腸外營養靜脈注射，獲得維持人體功能所需的營養，並可隨尿液排出。太空人將在這種藥物誘發的低溫狀態下休眠14天，然後清醒2—3天換班，以滿足其他太空人休眠需求。

　　2.降溫過程或對細胞造成損傷

　　可以看到，太空人冷凍休眠能夠最大限度地提高飛船的空間、載重利用率。其中的關鍵就是降低太空人飛行期間的消耗，也就是最大限度降低人體的新陳代謝速度。

　　低溫能夠降低生物的新陳代謝速度是毫無疑問的。比如青蛙、蛇等動物均會採取冬眠的方式來降低自身的新陳代謝速率。但值得注意的是，太空人的冷凍休眠與此前中國重慶女作家杜虹冷凍遺體的「人體冷凍」技術並不是一類。太空人的冷凍休眠技術，首先要解決的就是，低溫對太空人生命機體造成的傷害。

　　技術上的人類冷凍休眠，是指在極短的時間內，將人類冷凍到-196℃，讓細胞停止活動，無限延長人類的生命周期。從理論上來講，冷凍休眠可以做到。但是目前從技術上來看，人類還不能做到冷凍休眠並將其喚醒。主要問題是當人體溫度降到-5℃時，細胞內的水分就會凍結並形成冰晶。這些冰晶會穿透細胞膜，導致嚴重的組織損傷。也就說，通過冷凍休眠睡去的人們將無法再次醒來。

　　細胞在低溫下可以長期保存的機制在於低溫下細胞的新陳代謝急速減慢。保存溫度越低，新陳代謝越慢，保存時間也就越長。比如，血液中心的血液常常在-5℃下保存，保存時間一般為1個月。當然，如果不考慮低溫對於細胞造成的損傷，如果在-196℃下保存，血液的保存時間應該能更長。

　　但是低溫保存過程本身也會殺傷細胞及損害組織。此次NASA所資助的SpaceWorks並沒有公布如何應對這些風險，但我們不妨先看一下這些風險以及當前針對如何應對這些風險的研究是怎麼樣的。這些風險既包括化學損傷，也包括物理損傷。

　　造成化學損傷的主要元兇是我們賴以生存的氧氣。氧氣的重要無需贅言，但是它的另一面卻是通過氧化分解摧毀生命分子的本質。尤其在細胞主動利用氧的情況下，會生成大量比分子氧更加活潑的自由基。在正常情況下，細胞利用一系列的酶，直接或間接地對抗氧及其自由基所帶來的損傷。但隨著溫度的下降，雖然破壞的速度也隨之下降，但因酶的催化才加速的對抗能力，隨著酶的活性劇烈下降，也會急劇降低，本來平衡的化學反應最終倒向了破壞的一方。這一點不容忽視。

　　其次就是物理損傷，主要是指液體在極低溫度下結冰後對細胞造成的損傷。據中國科技大學低溫生物研究所教授何立群等人的研究，要實現冷凍休眠繞不過的就是要對每一個細胞進行低溫處理。實際應用中，細胞的低溫保存，第一步就是要對細胞添加低溫保護劑（CPA），然後進行安全降溫。值得注意的是，不足夠低的溫度無法達到冷凍休眠的需求，但是-15℃—-60℃的低溫過程對於細胞來講是致命的。

　　3.降溫過程操作難度大

　　向水中加入溶質會降低水的冰點。一般來說，溶質濃度越高，冰點就越低，因此成功進行低溫保存的第一步就是添加恰當的CPA，而且高濃度溶質對細胞有滲透性損傷，因此要適量。自50年以前，英國一個研究小組偶然發現甘油是精子和紅細胞的有效低溫保護劑以來，雖然不斷出現新的CPA，比如乙二醇、甲醇、丙二醇及二甲亞碸，有的也更加有效，但甘油至今仍然是有效的CPA之一。

　　據何立群等介紹，實驗表明，添加CPA後，細胞先脫水，體積開始收縮，隨後CPA滲入，體積隨之擴張。如果CPA的濃度過高，其體積會過度收縮以至超過細胞的忍受極限而導致損傷。

　　在降溫過程中，當溫度降至-5℃左右時，細胞及其周圍遞質還未凍結，都處於過冷狀態，在-5℃—-15℃之間，細胞外溶液開始結冰，如果假定細胞膜阻止了冰晶生長進入細胞，則細胞內沒有結冰，仍處於過冷狀態。此時細胞內部水的化學勢增大，水開始滲出細胞，然後在細胞外結冰，隨後細胞的反應則取決於降溫速率。何立群表示，如果冷卻過快，細胞就沒有充足的時間通過滲出水來維持內外溶液的滲透壓平衡，使細胞內溶液過冷，最終細胞內開始結冰。

　　總的來講，降溫過快或過慢，都能殺死細胞。在慢的降溫速率下，低溫損傷源於「溶液效應」，導致細胞嚴重脫水。快速降溫下，低溫損傷源於致命的胞內冰。對於特定細胞，必然存在一個具有最高細胞回收率的最佳降溫速率。該降溫速率慢得足以防止胞內冰，同時也快得足以使「溶液效應」最小。

　　據介紹，除去上面的這種方法，目前低溫生物學界討論的還有一種使得細胞質玻璃態的降溫方法。採用超快速降溫（>106℃/min）或使用高濃度CPA，細胞質將形成玻璃態而不是胞內冰。然而，超快速降溫在技術上有一定難度。在慢速降溫中有效改善降溫損傷的幾種CPA也可以用來促進玻璃化，但所需的濃度太高，對細胞、組織來講毒性太大。

　　要說明的是，降溫速率過高或過低是相對於細胞膜的滲水性而言的，與細胞的類型有關。不同細胞，細胞膜對水的滲透率有很大的差異，這導致了不同細胞對應的最佳降溫速率有所不同。細想一下，人體由不計其數的細胞組成，腦細胞、肝臟細胞等之間千差萬別，能對這些細胞定靶用藥就已經是非常之難了，而且還需要精準控制，稍不注意便可對細胞造成不可逆的損傷。這與當前冷凍卵子、精子或者血液的難度相比，給不同細胞進行精準降溫簡直難於上青天。

　　4.能否甦醒才是關鍵

　　不過，比給不同細胞進行精準降溫更難的是給細胞復溫。倘若太空人不能從休眠中醒來，那冷凍休眠的意義何在？如何安全地給細胞復溫，是冷凍休眠技術的「最後一公裡」，最為關鍵之處。

　　上面提到，在給細胞注入CPA降溫的過程中，極易使得細胞受到損傷。同樣，在復溫過程中，就要把CPA抽離出細胞，這一過程也充滿危險。在取出CPA時如過度稀釋，細胞會過度吸水以至膨脹超過其允許上限，也會造成細胞損傷。

　　何立群表示，復溫過程對細胞的存活是否構成威脅，其結果首先取決於前面降溫過程是否誘發產生了胞內冰或者細胞脫水。如果有胞內冰產生，快速復溫能防止冰晶長大，防止破壞細胞。但是即便慢速降溫過程中無胞內冰形成，細胞對復溫速率的響應也取決於冷凍條件和細胞類型。

　　而且，甦醒過後的太空人的機體是否會受到負面影響也是一個大的問題，當人體肌肉長期處在靜止狀態時，其功能勢必會出現某種程度的退化，雖然SpaceWorks研發的類似「假死」技術，只是讓太空人休眠14天，但是相信有過體驗的人都知道，躺在床上半個月動也不動的感受是如何的。

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