În vis spre stele sau lungul somn al călătorului cosmic

„Even the gods cannot give to mortals everlasting youth and
beauty without giving them also everlasting sleep;
but Endymion shall sleep forever and be forever young.”
Favorite Greek Myths by Lilian Stoughton Hyde, published in 1904

Cucerirea umană a spațiului interplanetar, cu primii pași robotizați făcuți deja în sistemul solar, e un fapt incontestabil. Colonizarea lui Marte sau zborurile cu echipaj uman spre alte planete ale sistemului solar implică o serie de probleme dificil de rezolvat de către știința și tehnologia secolului XXI.

Sistemele de propulsie cosmică nu au avut o dezvoltare revoluționară în primele două decade ale noului secol, fiind de fapt variante îmbunătățite ale motoarelor de rachetă inventate la sfârșitul ultimei conflagrații mondiale. Distantele mari interplanetare și vitezele relative mici, accesibile în acest moment, implică șederea pe perioade lungi a echipajelor umane în spații restrânse la bordul navelor, cu expunerea la radiații cosmice intense și micro-gravitație, cu resurse de hrană, apă, aer și energie limitate. Acesta este motivul pentru care vehiculele spațiale robotizate au luat avânt, practic există sonde trimise deja către toate corpurile cerești mari din sistemul solar, ba chiar și către asteroizi aflați la marginea acestuia (vezi misiunea NASA Osiris-Rex pe Bennu).

Însă spiritul de aventură cosmică e scris în genomul uman iar presiunea mediatică pentru un zbor interplanetar cu echipaj uman devine tot mai mare atât asupra agențiilor spațiale naționale cât și a celor private. Ideea zborului interplanetar cu echipaj uman a impus demararea unui program de medicină spațială serios finanțat de NASA și ESA, continuarea celui american și sovietic din epoca Războiului Rece, având cooptați medici din clinici și institute de referință mondială, majoritatea experimentelor fiind derulate pe Stația Spațială Internațională (ISS).

Cercetarea medicală spațială în secolul XXI se axează pe câteva domenii cheie:

• Efectele microgravitației asupra organismului
• Expunerea la radiații cosmice
• Efectele accelerației/decelerației la peste 10 G
• Conviețuirea pe termen lung în spații închise – aspecte psihologice
• Modificarile genomului uman în spațiu
• Microbi cu potential patogen uman în microgravitație; eficienta vaccinurilor și antibioticelor
• Telemedicina și robotica medicală
• Criostaza și hibernare în călătoriile interplanetare

În ultimul deceniu, la nivelul Stației Spațiale Internaționale, au avut loc mai multe experimente privind expunerea prelungită a echipajelor umane la condiții de microgravitație și radiație cosmică, mai mulți astronauți depășind șase luni de ședere continuă la bordul SSI. Cel mai bine documentat studiu, încheiat în 2017, a fost cel al gemenilor Kelly, larg mediatizat în presa științifică internațională. Este vorba despre Scott Kelly, un cunoscut astronaut american cu multe misiuni la activ, și fratele său geamăn Mark Kelly.

Timp de un an gemenii Kelly au fost atent monitorizați medical, unul în spațiu (Scott) la bordul ISS, celălalt (Mark) pe Pământ, ducând o viață normală dar urmând un regim alimentar și de activitate fizică similar celui de pe Stația Spatială.

Rezultatele au fost foarte interesante, unele așteptate, ca o consecință a experimentelor anterioare (cele legate de microgravitație – scăderea masei musculare, osteoporoză, tulburări de echilibru, tulburări de vedere), altele însă surpinzătoare, având în vedere că s-a mers cu analizele de laborator până la nivel genomic. Analiza genetică amănunțită a arătat că o mare parte a genelor lui Scott Kelly au fost modificate după un an de ședere pe Stația Spațială. Un alt lucru demn de remarcat a fost acela că la un an de la revenirea pe Pământ, 93% din genele modificate de șederea în spațiu au revenit la normal printr-un mecanism de autoreglare bazat pe telomerază / alte enzime corectoare. Însă cca. 7% dintre gene se pare că au suferit modificări ireparabile, ceea ce ridică semne de întrebare asupra siguranței zborului cosmic pe durate de ordinul anilor, genele modificate având potențial oncogen.

Un interes deosebit din partea cercetătorilor implicați în medicina spațială s-a axat pe criostază / hibernarea echipajului uman ca modalitate de a economisi resursele de aer, hrană, apă și energie limitate aflate la bordul navei interplanetare. Primele studii au pornit ca o continuare a observațiilor legate de hipotermia terapeutică folosită cu succes în leziunile ischemice cerebrale post stop cardiac, neurochirurgie și traumatologie la adulți precum și la nou-născuți prematuri cu suferință ischemică cerebrală. Această procedură permite menținerea pacientului într-o stare de torpoare generată prin scăderea cu câteva grade a temperaturii corporale, metabolismul încetinit limitând eliberarea de compuși nocivi la nivelul leziunilor cerebrale și desfășurarea în bune condiții a intervențiilor chirurgicale sau de reperfuzie.Toate studiile medicale pe hipotermia indusă au pus în evidență limitarea la câteva zile a acestei proceduri, depășirea acestui termen fiind însoțit de leziuni ireversibile la nivelul mai multor organe și sisteme (creier, cord, plămâni, rinichi, sistem circulator, sistem digestiv).

Recordul mondial în stază hipotermică îl deține o norvegiană, medic radiolog de profesie și pasionată de schi.

În 1999 dr. Anna Bagenholm, pe atunci în vârstă de 29 de ani și într-o formă fizică excelentă, în timpul unei ture de schi fond a căzut într-un lac și a ajuns sub gheață. Cu ultimele eforturi găsește o pungă de aer sub gheață și rămâne imobilizată acolo. După 40 de minute face șoc hipotermic și își pierde conștiența. Este salvată de către alți schiori după ce stătuse în apă 80 de minute iar temperatura ei corporală coborâse la 13,7 grade Celsius! Este transportată cu un elicopter la spitalul universitar din Tromso unde peste 100 de cadre medicale (medici, asistente, paramedici) s-au implicat în salvarea și recuperarea ei cardiorespiratorie și neurologică, temperatura corporală fiind crescută treptat, sângele fiind încălzit și pus în mișcare cu o mașină de bypass cardiopulmonar folosită de obicei în operațiile pe cord, în același timp fiind ventilată mecanic. Anna s-a trezit după 10 zile, paralizată de la gât în jos ca efect al hipotermiei, funcția senzitiva și motorie fiind recuperată în totalitate după 2 luni. În prezent duce o viață normală, lucrează în spitalul care a salvat-o, cu mici probleme neurologice (parestezii) la nivelul extremităților.

În toate studiile de medicină spațială este făcută diferențierea netă între criostază (bazată pe scăderea metabolismului prin hipotermie) și criogenizare. Criogenizarea folosește temperaturi foarte scăzute, menținute pe termen lung, cu efecte distructive asupra țesuturilor. Deocamdată toate experimentele de readucere la viață a unor animale criogenizate au eșuat. Exista și subiecți umani (mai ales în SUA) ce s-au supus voluntar procedurii, foarte mediatizată în anii 80-90 ai secolului trecut, însă niciunul nu a fost resuscitat, asteptând inventarea unor tehnologii sigure de reanimare și ulterior de vindecare pentru cei cu maladii incurabile (ce au sperat astfel să evite obștescul sfârșit).

Avansul tehnologic medical în următorul deceniu va permite probabil extinderea hibernării/criostazei la câteva săptămâni prin folosirea unor soluții perfuzabile special concepute să mențină țesuturile și organele viabile la un nivel metabolic foarte redus. Studiile dezvoltate pe animale arctice ce intră în stare de torpoare hibernare profundă (un bun exemplu fiind veverița arctică) au permis înțelegerea unor mecanisme specifice de termoreglare și reducerea importantă a metabolismului, însă transferul lor la oameni e abia la început. De la început trebuie avut în vedere că fenomenul de hibernare profundă este specific mamiferelor arctice de talie mică iar extrapolarea mecanismelor adaptative la om nu va fi ușor de realizat, fiind nevoie probabil de transferul unor gene ce controlează shut-down-ul metabolic. Perfecționarea acestor tehnici ar face posibil ca primul echipaj uman spre Marte să efectueze prin rotație cicluri de hibernare/trezire în condiții de siguranță. Tonusul muscular pe durata hibernării va putea fi menținut prin programe de electrostimulare controlate de calculator, circulația periferică va trebui susținută prin compresie intermitentă cu manșete pneumatice dispuse la nivelul membrelor. Alimentația parenterală, folosită predominant în secțiile de terapie intensivă, poate asigura mare parte dintre nutrienții necesari în criostază, restul putând fi completați prin aport oral în perioadele de activitate normală.

Un alt factor de risc pe durata zborului interplanetar îl reprezintă efectul radiațiilor cosmice asupra organismului uman, în condițiile în care expunerea e mult mai puternica în lipsa câmpului magnetic terestru, ce acționează ca ecran deflector. Alveolele ce adăpostesc echipajul în hibernare vor trebui ecranate anti-radiații, inginerii spațiali fiind încă în căutarea materialelor ideale destinate acestui scop. Se pare că varianta ideală ar fi un sandwich de materiale de diverse densități (metale/materiale plastice) capabil să oprească particule de diverse dimensiuni și lungimi de undă. Radiațiile ionizante ce lovesc/străbat pereții unei nave interplanetare sunt foarte variate, cu grade diferite de penetrare:

• Solare – particule alpha și beta cu energii între KeV și GeV, mai intense pe durata erupțiilor solare
• Cosmice – nuclee de hidrogen (88%), nuclee de heliu (10%), nuclee grele 2% cu viteze foarte mari, apropiate de viteza luminii.

De asemenea există și radiații non-ionizante – microunde, unde radio și cele în spectrul vizibil, cu impact neglijabil asupra organismului. Din categoria radiatiilor cu efect mai redus fac parte și radiatiile gamma.

Conform ultimelor studii bariera eficace antiradiații ar avea 2 componente:

• Pasivă – structură multistrat din materiale de diverse densități
• Activă – combinație de câmp electrostatic, magnetic, plasmă care ar capta/anihila     particulele cu energii înalte venite din cosmos
• Pot fi folosite în cadrul filtrelor pasive apa sau hidrogenul lichid, cu capacitate mare de a reține particule cu energii înalte, lichidele fiind stocate în rezervoare concentrice învelisului exterior al navei.

Variantele constructive sunt în faza de proiect, principala problemă fiind (pe lângă fiabilitate) greutatea suplimentară adăugată vehiculului spațial.

Din toate aceste detalii tehnice se conturează următoarea concluzie: nava interplanetară trebuie asamblată direct pe orbita circumterestră din module aduse pe rând și atașate temporar Stației Spațiale sau unui viitor șantier orbital. Astfel se pot preveni avariile structurale legate de lansarea pe orbită a unei nave de mari dimensiuni și limitările impuse de sistemele actuale de propulsie reactivă.

În aceeași ordine de idei se urmărește creșterea rezistenței echipajului uman la efectele nocive ale radiațiilor prin tratamente cu antioxidanți și activatori de telomeraze, știut fiind rolul lor activ în repararea lanțurilor ADN afectate de iradiere. Campionul autoreparării cromozomilor este o bacterie – Deinococcus radiodurans – capabilă să reziste la doze de radiații de mii de ori mai mari decât orice alt organism viu. Studiul mecanismelor de refacere a lanțurilor ADN a acestei bacterii poate fi soluția unui tratament eficient al bolii de iradiere. Se pare ca secretul lui Deinococcus este păstrarea mai multor copii (4-10 copii) pentru fiecare set de gene importante, și a unor proteine speciale ce pot „lipi” la loc lanțurile ADN distruse de radiații folosind copiile protejate. Un exemplu de astfel de proteine este thioredoxin reductaza și enzima Rec-D.

În ciuda tuturor elementelor de protecție anti-radiație, din estimările actuale se conturează un adevăr de necontestat: doza totală de radiații acumulate de echipajul unui zbor Pământ – Marte va fi foarte aproape de doza maximă suportabilă de organismul uman, astfel că astronauții respectivi odată întorși vor avea interdicție de zbor spațial pentru tot restul vieții.

Din scurta trecere în revista a problemelor legate de zborul interplanetar cu echipaj uman la orizontul lui 2030 putem emite următoarele ipoteze în teritoriul anticipației tehnico-stiintifice:

• colonizarea planetelor apropiate și a sateliților acestora vor rămâne apanajul roboților, ei fiind constructorii primelor baze lunare și marțiene
• nivelul tehnologiei spațiale din 2020 nu poate garanta încă integritatea fizică pentru un echipaj uman pe durata unui zbor Terra – Marte, orice inițiativă actuală intrând în domeniul aventurii extreme, chiar dacă s-au înscris deja voluntari în programele spațiale private
• este analizată posibilitatea de upgrade biologic/genetic în următorii 20 de ani pentru adaptarea umanului la condițiile impuse de un zbor cosmic îndelungat (microgravitație, criostază, rezistență la radiații)
• sursele de energie și propulsie (reactivă, atomică, solară) ce asigură autonomie unui vehicul spațial trebuiesc optimizate și eventual adăugate altele noi (fuziunea la rece).

Bibliografie

[1] T. I. Gombosi, Physics of the Space Environment (Cambridge U. Press, 2004).
[2] S. Copeland, „The Deep Space Radiation Environment,” Physics 241, Stanford University, Spring 2012.
[3] C. R. Buhler, „Analysis of a Lunar Base Electrostatic Radiation Shield Concept,” ASRC Aerospace Corporation, 15 Dec 04.
[4] S. G. Shephard, B. T. Kress, „Störmer Theory Applied to Magnetic Spacecraft Shielding,” Space Weather 5, No. 4, S04001 (2007).
[5] J. H. Adams et. al., „Revolutionary Concepts of Radiation Shielding for Human Exploration of Space,” U.S. National Aeronautics and Space Administration, NASA Technical Report NASA/TM-2005-213688, March 2005.
[6]   APA citation: Is human hibernation possible? Going to sleep for long duration spaceflight (2017, June retrieved 8 December 2018 from https://phys.org/news/2017-06-human-hibernation-durationspaceflight.
[7]  Clinical applications of induced hypothermia -Mark Luscombe,Sheffield Teaching Hospital NHS Trust;    John C Andrzejowski Consultant Neuroanaesthetist Sheffield Teaching Hospital NHS Trust, UK