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超声波可让人类进入冬眠状态,长距离太空旅行成为可能?

SF中文 2023/6/17 11:45:11 责编:梦泽

本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF

在《异型》这样的科幻电影中,我们常常会看到这样的桥段:宇宙飞船准备开始长距离航行,在这段期间,飞船将进行自动驾驶或是由机器人操控,而飞船的船员则会进入一个胶囊状的设备内开始长期的睡眠以度过漫长的星际旅程。也许可能有的伙伴会问,这是个太空旅行的好方案啊,现实中宇航员能否通过睡眠度过漫长的太空旅行?

文 | 梅林

在现实世界,目前人类发射的飞行速度最快的航天器是 NASA 的“帕克”太阳探测器,它于 2018 年发射,目的地是太阳,飞行速度可达每秒 200 千米。我们都知道,展开远程的太空旅行,航程都是以光年计的 —— 距离我们的太阳系最近的恒星系比邻星系距离我们也超过了 4 光年。而以“帕克”太阳探测器的速度航行一光年仍需要 1500 年,可以说现阶段展开远程太空旅行对于人类来说是不可行的。

回到最开始的问题,人类能否通过睡眠度过远程太空旅行。答案也是不行,因为人类在睡眠中虽然神经反应、新陈代谢、呼吸等身体机能有所降低,但要维持这么长时间的睡眠仍需不断为人体提供氧气、水和各种营养物质,而且人体也是在不断地衰老,这仍旧无法解决远程太空旅行所需的时间远超人类寿命的问题,这还仅仅是假设人类可以睡那么久。

人可否通过冬眠度过漫长太空旅行?

为此,一些科学家把目光转向了冬眠。在寒冷的冬日,一些动物的全部身体机能会大幅下降 —— 呼吸很弱,心跳变慢,对外界刺激的敏感性降低。这些动物通过这样的方式让自己进入昏睡状态,以极低的身体消耗确保自己度过寒冷的冬季。这就是冬眠。

更让科学家瞩目的是,冬眠动物在冬眠期间可以不吃不喝,这对人类实现远程太空旅行太重要了。如果人类能进入冬眠,而且期间不需要补充水和营养物质,只需提供氧气,那度过漫长的太空旅行的希望会大大增加。不过,还有一个问题:人类是没有冬眠的习性的,到底能不能让人类这样的非冬眠动物进入冬眠再安全、健康地苏醒过来。

动物进入冬眠和苏醒有其固有的机制,目前科学家对此了解的还不是很充分。不过,有一种动物吸引了科学家的目光,那就是熊。熊的冬眠行为很有特点:时间长,一睡就是半年,不吃不喝,而且熊的冬眠比较“灵活”,中间可以随时醒来,还可以再进入冬眠接着睡。这样的冬眠简直太适合人类的远程太空旅行了 —— 在这样的冬眠状态下,人体新陈代谢减缓,体温降低,人类开展太空旅行的时间更久、距离更远,而且还能节约有限的物资。

2022 年,一支由生物学家、兽医和护林员组成的研究团队来到了加拿大北部的冰天雪地,探究棕熊冬眠的奥秘。通过信号项圈,研究人员发现了棕熊冬眠的位置。之后,它们采集了棕熊的脂肪和肌肉样本,带回实验室进行研究,希望发现棕熊冬眠的机制。在法国的实验室,生物学家通过实验发现,棕熊冬眠期间,肌肉细胞中发生的一些生理反应也可能在人体中发生,这些反应也许可以让人进入冬眠。

现在,我们已经可以假设人类也可以进入冬眠,那么采用这样的方法实现远程太空旅行也是有可能的。现在的问题是怎样让人进入冬眠又能健康安全地醒过来。

超声波刺激人脑引发冬眠?

在此前的研究中,科学家已经发现下丘脑视前区(POA)的特定神经元群是操控动物冬眠的关键大脑区域。一些科学家已经通过基因工程技术,对这些神经元做了改造,让一些非冬眠动物可以通过人为干预进入冬眠,不过这样的技术很难应用于人类,从安全性和伦理上都不可行。

为此,美国圣路易斯华盛顿大学的生物工程师陈红带领的研究团队,利用超声波代替了基因工程技术,操控神经元上的一些离子通道,从而操控了 POA 神经元。

在实验中,陈红团队在小鼠身上展开了实验。他们用微型扬声器将超声波集中作用于小鼠的 POA 区域。结果发现,小鼠的核心体温下降了大约 3℃。这是小鼠冬眠的典型迹象。为了使结论更可靠,陈红团队还展开了对比实验:如果停止用超声笔作用 POA,小鼠的体温便会回升,从蛰眠中苏醒过来,而且没有任何不良反应;如果在小鼠体温回升期间,持续用超声波作用 POA,那小鼠会进入持续的蛰眠之中。因此,可以说,小鼠的蛰眠(冬眠属于蛰眠的一种)是由大脑中的 POA 区域控制的。

那么,我们可以大胆地想象:如果用超声波作用于人脑的 POA,也许人类也能进入“冬眠”状态,持续的超声波刺激可能会导致人类进入长期的“冬眠”,这样人类就更有可能开展长距离的太空旅行了。

不过,一些科学家也为这一研究成果泼了一盆冷水。美国俄勒冈健康与科学大学的神经外科专家肖恩・莫里森(Shaun Morrison)认为,超声波会造成大脑升温,动物则会通过降低体温来维持自己体温的恒定,这并不能证明超声波刺激会引发冬眠。而且,人脑比小鼠的大脑更大、更深邃,超声波能在小鼠大脑起作用未必就一定能在人脑起作用。

参考文献:

  • https://doi.org/10.1038/s42255-023-00804-z

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关键词:研究超声波

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