從冬眠動物身上人類如何學(xué)會“休眠”

自然冬眠的動物在冬眠時會進(jìn)入一個核心體溫和代謝率下降的階段，這一狀態(tài)被稱為“torpor”。

從古至今，人類從未停止對宇宙的思考與探索。現(xiàn)代宇宙航行學(xué)的奠基人，被稱為航天之父的齊奧爾科夫斯基也說過“地球是人類的搖籃，但是人類不能永遠(yuǎn)生活在搖籃里”。雖然在20世紀(jì)60—70年代，人類的腳步就已經(jīng)踏上了月球。但是直到今天，我們?nèi)员幌拗圃诘卦驴臻g之內(nèi)。這是因為即便是去到離我們最近的可登陸行星——火星，也需要500天的時間才能夠完成往返。而去到離太陽系最近的恒星——比鄰星，單程就有4.22光年的距離。除了路途遙遠(yuǎn)，長期太空飛行中航天員所面臨的一系列生理和心理問題以及航天器上極其有限的資源等等，都是限制我們邁向深空的阻礙。

在科幻小說與電影中，宇航員往往會進(jìn)入一個“休眠”狀態(tài)來完成長距離飛行。這并不是一個天馬行空的幻想。早在20世紀(jì)60年代，一些科學(xué)家就提出了通過抑制代謝來實現(xiàn)人類“休眠”的構(gòu)想。進(jìn)入21世紀(jì)，美國航空航天局 （NASA） 與歐洲空間局（ESA）陸續(xù)提出誘導(dǎo)人類“休眠”設(shè)想，并著手進(jìn)行設(shè)計研究。對于這項前沿技術(shù)，我們首先需要了解到“休眠”不是冷凍，而是通過各種技術(shù)手段來降低宇航員的核心體溫，并使新陳代謝變得“遲鈍”?！靶菝摺笨梢詼p少物資消耗，降低航天員對活動空間的需求。這些變化可以在航天器的設(shè)計上將更多的空間和資源分配給動力系統(tǒng)。更為重要的是，“休眠”除了能夠降低空間環(huán)境對航天員生理上的影響，還能消除任務(wù)中的緊張和孤獨感，減少對航天員精神健康的威脅。ESA因此認(rèn)為“可控的冬眠是載人太空飛行中一種改變游戲規(guī)則的技術(shù)”。在可預(yù)見的未來，低溫低代謝狀態(tài)的人類“休眠”將是進(jìn)行登陸火星等深空探索任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

非冬眠動物無法自發(fā)進(jìn)入休眠狀態(tài)

自然冬眠的動物在冬眠時會進(jìn)入一個核心體溫和代謝率下降的階段，這一狀態(tài)被稱為“torpor”。Torpor的誘發(fā)因素很多，包括環(huán)境因素（例如寒冷、食物短缺、晝夜節(jié)律等）和自身因素（饑餓、睡眠等）。在Torpor時期，動物體溫最低可降至3～5℃，基礎(chǔ)代謝率可以低至1%～5%，且行為受到抑制，呈現(xiàn)假死狀態(tài)。但這種時期并不會一直持續(xù)，會被定期的“Arousal”覺醒狀態(tài)（2～30天，存在物種差異）所打斷。覺醒之后體內(nèi)代謝水平與核心體溫均迅速回升，以確保一些關(guān)鍵的生理功能不受損傷。周期性的Torpor-Arousal循環(huán)就組成了完整的冬眠過程。而非冬眠動物由于缺乏相關(guān)生物學(xué)機(jī)制，不具有自發(fā)產(chǎn)生Torpor-Arousal周期性狀態(tài)變換的能力，因此需要通過一些物理或者藥理學(xué)方法的誘導(dǎo)來進(jìn)入低溫低代謝的狀態(tài)。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)是調(diào)控Torpor-Arousal轉(zhuǎn)換的核心

中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的一些解剖學(xué)和功能性連接在控制Torpor-Arousal轉(zhuǎn)換過程中起關(guān)鍵作用。無論是休眠還是覺醒都離不開中樞神經(jīng)系統(tǒng)中特定神經(jīng)元與神經(jīng)環(huán)路的調(diào)控。在去年6月，Nature 更是同期連發(fā)兩篇嚙齒動物誘導(dǎo)“Torpor”的重磅文章。此外，12月11日 Nature Communications 也報道了類似的新發(fā)現(xiàn)。3項研究均提出并證實了下丘腦內(nèi)的特定神經(jīng)元在非冬眠動物休眠誘導(dǎo)過程中起著重要的調(diào)控作用。這些研究進(jìn)展進(jìn)一步提示我們，未來啟動人類“休眠”的鑰匙很有可能在下丘腦及相關(guān)環(huán)路中被發(fā)現(xiàn)。

可控且安全的休眠-蘇醒轉(zhuǎn)換對于非冬眠動物的休眠至關(guān)重要

到目前為止，針對非冬眠動物“休眠”的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。但是對于人類“休眠”而言，安全性和可控性才是這項技術(shù)首先需要解決的問題。在休眠-蘇醒轉(zhuǎn)換過程中伴隨著核心體溫與代謝率的大幅度波動，冬眠動物幾乎不會出現(xiàn)明顯的器官和組織損傷。而對于非冬眠動物而言，缺乏相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制，則很可能出現(xiàn)顯著的細(xì)胞應(yīng)激和功能損傷。尤其是對于人體最大的耗能器官——大腦，較長時間的低溫低代謝狀態(tài)，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能必定會造成深遠(yuǎn)的影響。而冬眠動物在經(jīng)歷長時間的休眠狀態(tài)后，神經(jīng)連接與功能都可以恢復(fù)到休眠前的狀態(tài)。因此，揭示自然冬眠的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制有助于解決人類“休眠”的關(guān)鍵技術(shù)難題。

人類“休眠”的未來

人類的“休眠”不能一味追求“時間靜止”?？梢愿鶕?jù)任務(wù)類型的不同，在資源消耗與休眠程度和方式的設(shè)計上尋找最佳平衡點。盡管中樞神經(jīng)系統(tǒng)對于“休眠”的調(diào)控作用十分重要，但“休眠”狀態(tài)是機(jī)體對環(huán)境變化的整體反應(yīng)，幾乎涉及所有的器官組織，對其他組織器官的“休眠”研究也需要同步開展?？傊?，人類“休眠”是一項復(fù)雜多領(lǐng)域系統(tǒng)性工程，需要融合包括生物、醫(yī)學(xué)、材料、化學(xué)等各學(xué)科的技術(shù)來實現(xiàn)這一設(shè)想。值得一提的是，隨著我國空間站和地外基地建設(shè)的開展，可以將“休眠”研究的主戰(zhàn)場轉(zhuǎn)移到空間實驗室。這將更有利于對航天員選拔和訓(xùn)練思路的調(diào)整，早日實現(xiàn)安全可控的人類“休眠”并應(yīng)用于載人深空探索。此外，世界主要航天大國相繼啟動登月或登陸火星的計劃，也將加速推進(jìn)人類“休眠”相關(guān)研究的開展。