Использование немодельных организмов в медицинских исследованиях — расширяющаяся область, которая уже оказала значительное влияние на здоровье человека. Информация, полученная в результате изучения уникальных особенностей млекопитающих, используется для разработки новых терапевтических средств. Замечательная способность гибернации млекопитающих дает уникальные физиологические и метаболические преимущества, которые активно исследуются для потенциального применения в здравоохранении человека на Земле. Эти преимущества также обещают снизить многие риски для физического и психического здоровья, связанные с космическими путешествиями.
Существенной особенностью спячки является энергосберегающее состояние, называемое торпором, которое включает в себя активное и часто глубокое снижение скорости метаболизма по сравнению с исходным гомеостазом. Дополнительные потенциальные преимущества включают сохранение стабильного состояния мышц и костей, несмотря на длительную иммобилизацию, и защиту от радиационного поражения. Несмотря на этот замечательный потенциал, космическая инфраструктура, необходимая для изучения оцепенения лабораторных грызунов, в настоящее время не существует, а спячка в условиях микрогравитации никогда не изучалась. Это серьезный пробел в понимании спячки и ее потенциального применения для пилотируемых космических полетов.
Установка STASH также будет иметь камеры для животных такого размера, которые будут вмещать разнообразные виды животных, способных впадать и не способных впадать в спячку, что повысит ее применимость для различных исследований на МКС за счет возможности физиологических измерений в реальном времени. Установка STASH разрабатывается в сотрудничестве с BioServe Space Technologies для интеграции в космическую автоматизированную биологическую лабораторию (SABL). Это позволит достигнуть практического применения этого исследования, и улучшить наше понимание как спячки, так и физиологии млекопитающих в космосе.
Краткосрочными целями проекта STASH являются новые исследования в области фундаментальной науки о спячке в условиях микрогравитации, закладывающие основу для применения ее потенциальных преимуществ для здоровья человека. К ним относится определение того, обеспечивает ли спячка ожидаемую защиту от потери нормального функционирования костей и мышц. Среднесрочные цели проекта заключаются в разработке трансляционных приложений исследования гибернации. К ним относятся использование STASH как для тестирования биоактивных молекул, имитирующих транскрипционные признаки гибернации, так и для оценки методов индукции синтетического оцепенения на предмет их способности обеспечивать аналогичную защиту.
В качестве долгосрочной цели во время пилотируемой миссии на Марс синтетическое оцепенение человека могло бы действовать в качестве соответствующей контрмеры, которая изменит все в освоении космоса, смягчая или устраняя все опасности, включенные в аббревиатуру НАСА RIDGE, обозначающую опасности космических путешествий: космическое излучение, изоляция и заключение, расстояние от Земли, гравитационные поля и враждебная/закрытая среда.
Торпор — состояние кратковременного оцепенения, сопровождающееся замедлением пульса, дыхания и понижением температуры тела, переход к которому и пробуждение наступают довольно быстро. Если осторожно взять зверьков в руки, они могут не проснуться. Множество терминов, относящихся к состояниям замедленного метаболизма — анабиоз, оцепенение, спячка, гибернация, торпор, диапауза, сопор — можно разделить на две большие категории: анабиоз и гипобиоз.
Слово «анабиоз» означает «возвращение к жизни», и это самое сильное замедление метаболизма, на которое способен живой организм. Лучше всего переживать неблагоприятные, смертельные для других организмов условия могут споры бактерий и цисты простейших, а также знаменитые своей поразительной живучестью тихоходки. В состоянии анабиоза эти мельчайшие организмы способны выдерживать экстремальные охлаждения до -217 градусов Цельсия, кипячение в течение нескольких часов, облучение и даже пребывание в открытом космосе.
Для более сложных организмов подобная «полная остановка» метаболизма невозможна, но в природе встречается много вариаций его замедления. Одна из них, оцепенение, встречается у пойкилотермных (холоднокровных, не поддерживающих постоянную температуру тела) животных — рептилий, земноводных, рыб, насекомых. Во время зимнего оцепенения температура их тела может опускаться ниже нуля. Животные, готовящиеся промерзнуть до костей, накапливают в клетках криопротекторные вещества — например, глицерин или сахарозу, чтобы защитить их от повреждений кристаллами льда.
Особый вид оцепенения, описанный очень подробно для насекомых, — диапауза — может наступать на любом этапе развития организма (онтогенеза), при этом развитие останавливается и откладывается до лучших времен. Эти и другие формы пониженной функциональной активности, такие как спячка или гипотермия, объединяются термином гипобиоз. Он может быть как естественным — в виде адаптивного механизма, позволяющего организму подстраиваться под меняющиеся условия окружающей среды, так и искусственным.
Гомойотермные — теплокровные — животные впадают в спячку, чтобы переждать неблагоприятные условия. Зимняя спячка (гибернация) помогает переждать холода и недостаток пищи, а летняя (эстивация) — жару и засуху. Впадая в спячку, гомойотермные животные фактически теряют на время способность поддерживать температуру тела, поэтому их еще называют гетеротермными, поскольку иногда они теплокровные, а иногда нет.
Во время спячки замедляется дыхание, сердцебиение и нервная деятельность, а температура тела снижается. В спячку впадают некоторые грызуны, насекомоядные, летучие мыши, медведи и даже птицы. Считалось, что приматы не впадают в спячку, пока в 2004 году не выяснилось, что толстохвостый лемур (Cheirogaleus medius) семь месяцев в году проводит в спячке, спрятавшись в дупло, чтобы пережить жаркий сезон на Мадагаскаре.
