장기간의 우주 여행은 건강에 해롭습니다. 아주 나쁜. 우주에 있으면 인간은 위험할 정도로 높은 수준의 방사선에 노출됩니다. 미세중력에 장기간 노출되면 근육, 뼈, 눈을 포함한 다양한 신체 시스템이 손상될 수 있습니다. 밀폐된 공간에서 몇 달 또는 몇 년 동안 생활하면 심각한 심리적 영향을 받을 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하는 열쇠는 포유류, 새, 물고기 및 기타 동물이 본질적으로 오프라인 상태를 유지함으로써 극도의 결핍 상태에서 살아남을 수 있도록 하는 2억 5천만년 된 생리학적 전략, 즉 최대 절전 모드일 수 있습니다. 동물이 동면하면 신체 기능이 거의 완전히 정지됩니다. 그들은 먹거나 마시거나 움직이지 않으며, 마찬가지로 중요한 것은 배고프거나 목마르지 않고 추워 보이지도 않는다는 것입니다. 이 놀라운 능력은 인간이 화성과 그 너머에 도달하는 데 결정적인 역할을 할 수 있으며 지구에서 생명을 구하는 데에도 도움이 될 수 있습니다.

동면은 방사선 노출, 뼈와 근육 손실 등 장기간 우주 비행의 여러 위험으로부터 보호할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 게다가 여행자를 장기간 무의식 상태에 두는 것은 몇 달 또는 몇 년 동안 밀폐된 공간에서 생활하는 데 드는 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 최대 절전 모드는 비행에 필요한 음식과 물의 양을 크게 줄여 탑재량을 줄이고 우주비행사가 더 짧은 시간에 목적지에 도달하고 돌아올 수 있도록 해줍니다.

물론 문제는 인간이 자연적으로 동면을 하지 않는다는 것이다. 일부 다람쥐, 곰, 박쥐 및 기타 많은 종과 달리 우리는 자원이 부족할 때 신진대사를 급격하게 낮추도록 진화하지 않았습니다. 이 문제를 극복하기 위해 전 세계적으로 점점 더 많은 과학자들이 인간의 동면을 안전하게 유도할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다.

유럽우주국(ESA)과 NASA로부터 자금 지원을 받는 이들 연구원은 몇 달 동안 음식, 물, 운동 없이도 동면 장치가 자동으로 꺼졌다가 다시 켜지는 방식을 밝혔습니다.

ESA에서 우주 생물학 연구를 감독하는 크리스티안 한(Christiane Hahn)은 “이것은 매우 유망한 분야입니다.”라고 말합니다. “우주 여행의 미래를 완전히 바꿀 수 있습니다.”

그만큼 위험 공간 방사

방사선은 장거리 우주 비행에서 특히 중요한 문제입니다. 지구상의 대기는 대부분의 방사성 입자를 차단합니다. 우주에는 보호 장치가 없습니다. 장거리 우주 비행 동안 여행자는 위험한 수준의 유해 이온에 지속적으로 노출됩니다. 입자는 우주선 내부에 갇혀 내부에 더 많은 피해를 줄 수 있습니다. “우주에서 방사선으로부터 인간을 보호하는 것은 매우 어렵습니다.”라고 Hahn은 말합니다. “아직 효과적인 방패를 찾지 못했습니다.”

연구에 따르면 최대 절전 모드는 이러한 손상을 방지하는 것으로 나타났습니다. 동면 중에 동물은 대사 활동을 줄이고, 산소를 덜 사용하며, DNA 가닥을 더 단단하게 묶어 방사선 손상으로부터 보호합니다. 게다가, 동면자는 강력한 DNA 복구 메커니즘을 가지고 있습니다.

미국 중서부와 캐나다에 서식하는 땅다람쥐(몸에 줄무늬가 많기 때문에 이런 이름이 붙음) 13마리의 대규모 군집을 감독하는 예일대학교 생리학자 Elena Gracheva는 “그들이 할 수 있는 일은 정말 놀랍습니다”라고 말합니다. 이 생물들은 자연 서식지를 재현하기 위해 특별히 설계된 시설인 마슈타(Mashta)에 보관됩니다.

“이 동물들은 여름에는 우리와 비슷해 보이지만 겨울에는 완전히 다른 유기체가 됩니다.”라고 그녀는 말합니다. “심박수는 몇 분에 한 번씩 떨어지며, 체온은 냉장고 온도인 섭씨 4도에 도달합니다. 그런데도 그들은 아직 살아있습니다.”

Gracheva는 동물이 물 없이 최대 8개월 동안 생존할 수 있는 방법을 연구합니다. 동면 중에는 동물이 물을 제공받아도 물을 마시지 않습니다. 그들은 이 과정을 조절하는 것으로 보이는 뇌 영역인 간질하 기관(SFO)과 SFO에 주입될 때 갈증을 제거하는 것으로 보이는 분자를 확인했습니다. 그녀는 이 뇌 영역이 인간을 포함하여 동면하지 않는 종에도 존재한다고 지적합니다.

연구자들은 이제 우리도 이러한 이점을 얻을 수 있도록 인간의 생리학을 해킹하는 방법을 모색하고 있습니다. 그들은 알려진 대로 인간이 인공 동면 상태에 들어갈 수 있도록 하기 위해 약물, 초음파 및 기타 전략을 실험하고 있습니다. (두 용어가 종종 같은 의미로 사용되기는 하지만, 과학자들은 일반적으로 혼면 상태를 몇 시간에서 하루 사이에 지속되는 단기 상태로 정의합니다. 반면 혼면 상태는 몇 주 또는 몇 달 동안 지속됩니다. 인공 혼면은 단기 및 장기 대사 비활성화를 모두 포함하는 경향이 있습니다.)

알래스카 대학교 북극 생물학 연구소의 교수이자 생화학자인 Kelly Drew는 “확실히 가능합니다.”라고 말합니다. NASA의 지원을 받는 Drew는 20년 넘게 8월부터 5월까지 동면하는 북극땅다람쥐를 연구해 왔으며, 이 기간 동안 체온은 섭씨 37도(화씨 98.6도)에서 영하로 떨어집니다. Drew의 연구는 일반적으로 살아있는 세포를 죽이는 영하의 온도에서 동물이 뇌, 심장 및 근육을 보호하는 방법에 중점을 두었습니다. 그녀와 동료들은 동면 중에 주요 근육 단백질인 미오신이 에너지 사용 방식을 근본적으로 변화시켜 해를 끼치지 않고 추운 온도에서도 살아남을 수 있게 한다는 사실을 발견했습니다.

설정하다 열쇠 메커니즘

최근 몇 년 동안 연구자들은 동물 그룹에서 인공 동면을 유도할 수 있었습니다. 거의 모든 실험은 일반적으로 일종의 뇌 수술과 같은 침습적 기술을 사용했습니다. 예를 들어, 볼로냐 대학의 생리학 교수인 마테오 시리(Matteo Siri)는 온도와 에너지 사용을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 뇌 영역인 솔기 창백핵의 세포를 표적으로 삼았습니다.

그러나 이 연구는 이 과정과 관련된 메커니즘을 밝히는 데 도움이 되지만, 동면 상태에 들어가거나 깨어나야 할 때마다 우주비행사의 두개골을 여는 것은 실용적이거나 윤리적이지 않습니다. 2023년부터 세인트 루이스에 있는 워싱턴 대학의 과학자를 포함한 여러 그룹은 음파를 전송하는 비침습적 기술인 초음파를 사용하여 동물의 인공 동면을 유도해 왔습니다. 유럽 ​​우주국(European Space Agency)으로부터 자금을 지원받는 Siri와 그의 동료들은 건강한 자원봉사자들을 대상으로 곧 이 접근 방식을 테스트하기를 희망합니다.

최대 절전 모드는 신체의 모든 세포에 영향을 미치는 매우 복잡한 일이며 이 과정에는 거의 확실히 여러 스위치가 관련되어 있습니다. MIT 신경과학 연구원인 Sinisa Hrvatin은 이 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 보이는 또 다른 뇌 영역을 확인했습니다. 올해 초 발표된 연구에서(아직 동료 검토가 이루어지지 않은) 그와 그의 팀은 신진대사와 온도에 핵심적인 역할을 하는 시각 전 영역으로 알려진 영역을 목표로 삼았습니다. 연구진은 햄스터의 시각 전 영역에 있는 뉴런을 활성화함으로써 햄스터를 동면 상태에 두었고, 이로 인해 햄스터의 체온이 섭씨 15도까지 떨어졌습니다.

흐르바틴(Hrvatin)은 이 시신경 회로가 동면하지 않거나 전혀 동면하지 않는 동물을 포함하여 광범위한 동물에 존재할 수 있다고 제안합니다. 흐르바틴에게 이것은 일반적으로 스스로를 차단하지 않는 동물에게 동면과 같은 상태를 유도하는 것이 가능할 것임을 시사합니다. “회로의 주요 측면은 다양한 동물에서 보존되는 것으로 보입니다.”라고 그는 말합니다. “내 생각엔 신진대사를 수정하는 데 사용할 수 있을 것 같아요.” 이 전시각 회로가 인간에게 존재하는지 여부는 확실하지 않습니다. 아무도 보지 않았습니다. Hrvatin은 곧 이 질문을 탐구할 계획입니다.

일부 과학자들은 이미 인간을 대상으로 실험을 진행하고 있습니다. 작년에 발표된 연구에서 피츠버그 대학의 연구원 Clifton Callaway는 건강한 사람에게 덱스메데토미딘이라는 진정제를 5일 동안 투여했습니다. 그 결과 신진대사율이 20% 감소하고 총 칼로리 섭취량이 30% 감소했습니다. 땅다람쥐가 하는 일에 비하면 그것은 작은 방울입니다. 그러나 NASA로부터 자금 지원을 받은 캘러웨이는 이것이 최소한 우주 비행의 위험으로부터 여행자를 보호하는 데 충분할 수 있다고 말합니다. 장거리 비행 중에는 신진대사가 조금만 감소해도 효율성이 달라질 수 있습니다.

“화성으로 여행하려면 우주 비행사 1인당 왕복 여행으로 약 300kg의 음식이 필요합니다.”라고 그는 말합니다. “이를 4분의 1 이상 줄일 수 있다면 증가로 이어질 수 있습니다.”

제공하다 지구에 살고, 또한

인공 동면의 약속은 우주 여행을 더욱 안전하게 만드는 것 이상으로 확장됩니다. 과학자들은 암과 알츠하이머병을 포함한 광범위한 질병의 치료법으로 이를 연구하고 있습니다. 최대 절전 모드는 많은 기관과 세포 유형에 걸쳐 광범위한 복구 및 재생 기능을 제공하는 것으로 보입니다. 이는 암세포의 성장을 방해하고 치료에 더 취약하게 만드는 것으로 보입니다. Siri와 Hrvatin이 이 지역을 탐색하고 있습니다. Siri는 “이것은 많은 치료 잠재력을 가지고 있습니다.”라고 말합니다. “이 분야는 믿을 수 없을 만큼 흥미로운 분야입니다.” 알래스카 대학교 교수인 드류(Drew)와 다른 사람들은 이것이 비만 치료에도 유용할 수 있다고 믿습니다. 신진대사를 낮추는 것이 아니라 높임으로써 의사는 사람들이 더 많은 칼로리를 소모하도록 도울 수 있습니다.

네덜란드 과학자 그룹이 동면과 관련된 분자를 확인했는데, 이는 파킨슨병, 심부전, 천식 및 기타 질병을 치료할 수 있는 잠재력이 있다고 믿고 있습니다. 흐로닝언 대학의 연구원인 Rob Henning, Rolof Hutt 및 Kees van der Graaf는 온도가 섭씨 18도 이하로 떨어지면 동면하는 시리아 햄스터로부터 SUL-138 분자를 분리했습니다. Henning과 그의 동료들은 동면하지 않는 동물 그룹을 대상으로 이 화합물을 테스트한 결과 광범위한 보호 및 재생 특성을 가지고 있음을 보여주었습니다. 그들은 최근 파킨슨병 환자를 대상으로 이 화합물에 대한 소규모 인간 실험을 시작했습니다.

Henning은 “무엇이든 한계가 없습니다.”라고 말합니다. “저는 의료 동료들과 이야기할 때 항상 이렇게 말합니다. 문제가 무엇입니까? 최대 절전 모드로 해결하겠습니다.”

응급실 의사이기도 한 캘러웨이는 의사들이 신속하게 신진대사를 늦추고 염증을 줄여 문제를 치료할 시간을 주고자 할 때 심장마비, 뇌졸중, 뇌 손상 등 모든 종류의 긴급한 의학적 상태에 인공 동면이 유용할 수 있다고 말합니다. 의학적으로 유발된 혼수상태에 있는 환자와 달리 인공 혼수상태에 있는 환자는 뇌가 계속 활동하기 때문에 생명 유지가 필요하지 않습니다. 그는 동면이 수십 년 동안 사용되어 온 기술인 치료적 저체온증의 개선된 버전이 될 가능성이 있다고 말합니다.

저체온증은 유익하지만 큰 단점이 있습니다. 몸이 떨리고 염증이 증가하며 심박수가 증가하여 추위와 싸웁니다. 체온을 유지하려는 이러한 미친 노력은 치료의 이점을 제한할 수 있습니다. 대조적으로, 동면 중인 동물은 추위에 강하게 반응하지 않습니다. 이러한 차이로 인해 인공 동면이 긴급 상황에서 더욱 효과적인 도구가 될 수 있습니다.

대부분의 전문가들은 인간이 처음으로 동면을 사용한 것은 아마도 의료였을 것이라는 점에 동의합니다. 흐르바틴은 장기 이식을 잠재적인 첫 번째 옵션으로 보고 있으며, 장기의 생존을 연장하기 위해 일부 동면 경로를 활성화하는 것이 상대적으로 쉬울 것이라고 말했습니다. 연구자들은 이미 이를 실험한 결과 장기의 수명을 크게 늘릴 수 있다는 사실을 발견했습니다.

인공 동면이 언제 인간에게 현실이 될 것인지에 대한 다양한 견해가 있습니다. Siri는 가장 낙관적인 사람 중 하나입니다. 왜냐하면 그는 이것이 향후 10년 또는 15년 안에 일어날 것이라고 믿기 때문입니다. 대부분의 전문가들은 시간이 더 오래 걸릴 것이라고 생각합니다. ESA 과학자인 Hahn은 수십 년이 걸릴 것이라고 믿습니다.

그녀와 다른 사람들은 우주 여행이나 치료를 위해 동면을 사용하기 전에 연구자들이 그 과정을 더 잘 이해해야 한다고 지적합니다. 그렇지 않으면 우리는 온갖 종류의 악몽 같은 공상과학 시나리오에 빠질 위험이 있다고 그녀는 말합니다. “동면을 유도하는 것은 꽤 잘 알려져 있습니다.”라고 그녀는 말합니다. “누군가를 다시 데리고 나가는 것은 아닙니다. 우리는 두 부분을 모두 올바르게 해야 합니다.”