Что такое крионика и можно ли найти бессмертие в жидком азоте
Прошло более полувека с того дня, когда в Калифорнии крионировали тело первого человека, охладив его до температуры ниже –70 градусов Цельсия. Этим человеком стал Джеймс Бедфорд, профессор психологии Калифорнийского университета. Бедфорд, неизлечимо больной раком, откликнулся на предложение Крионического общества Калифорнии, которое обещало бесплатно заморозить тело первого добровольца после его смерти. С тех пор тело Бедфорда пребывает в охлаждённом состоянии в жидком азоте в ожидании, когда наука разовьётся настолько, что сможет подарить ему ещё один шанс на жизнь.
За прошедший с тех пор 51 год крионика значительно развилась и даже превратилась в бизнес, а счёт замороженных людей, ожидающих воскрешения, идёт уже на многие десятки.
Представьте, что у вас есть любимая бабушка, которая в последнее время чувствует себя совсем нехорошо. У бабушки тяжёлое наследственное заболевание, вызванное хорошо известной медикам единичной мутацией. И хотя о механизме возникновения и развития болезни известно почти всё, лечить её наша несовершенная медицина пока не умеет. И вот, регулярно натыкаясь на новости о геномном редактировании, о ДНК-вакцинах и первых успехах тестирования системы CRISPR/Cas9, вы понимаете, что ещё буквально каких-то 20–30 лет, и ваша бабушка могла бы, получив небольшой курс ДНК-терапии, выздороветь. Однако, как мы и договорились изначально, бабушка чувствует себя плохо уже сегодня и никаких 20–30 лет в запасе у вас нет.
Очевидно, что самым логичным выходом из ситуации было бы как-то выиграть время, «заморозив» течение болезни. Например, заморозить бабушку в буквальном смысле — её тело можно сохранить до лучших времён в жидком азоте с расчётом на то, что в будущем любой недуг, каким бы тяжелым он ни был, медики смогут вылечить. Сделать заморозку при жизни невозможно юридически (да и бабушка против), но уже сегодня можно распорядиться, чтобы после констатации факта смерти тело как можно быстрее было сохранено для будущего.
Компании, которые предлагают такие услуги, уже есть. Причём не только где-то там в США, но и, например, здесь, у нас под боком, в Подмосковье. Компания «КриоРус», хранилища которой расположены в Сергиевом Посаде, занимается этим уже много лет и за какие-то 36 тысяч долларов готова обеспечить бессрочное хранение всего тела. Если это покажется вам дорого, то за смешные 15 тысяч долларов можно сохранить отдельно голову или мозг. Кроме того, компания готова предоставить своим клиентам даже рассрочку или ежегодный абонемент. Согласитесь, было бы странно не воспользоваться такой доступной услугой, тем более что единственная альтернатива в данном случае — это смерть, похороны и окончательный распад.
В примере с гипотетической бабушкой такое решение действительно кажется наиболее логичным и простым. И многие люди, сталкивающиеся с подобной дилеммой не гипотетически, а вполне реально, решаются на этот шаг. Сегодня их счёт идёт уже на сотни человек.
Проблема в том, что не всякое решение, которое выглядит логично и просто, на самом деле верно.
Нет гарантий и обратного — что попытки сохранить жизнь при низких температурах обречены на провал, а занимаются подобным, дескать, лишь мошенники. Жизнь куда сложнее этой схемы, но для того, чтобы понять, где в этой истории проходит граница между наукой и шарлатанством, потребуется довольно длинный рассказ.
Физик Митио Каку лаконично, но убедительно объясняет проблемы крионики в её современном виде.
There’s a starman waiting in the sky
Летом 1931 года Робу Эттингеру было 12 лет. Это было время самого пика Великой депрессии, и особенно остро экономический спад ощущался в Детройте, где Роб в то время жил со своей семьей (кстати говоря, выходцами из России). Как и многие его сверстники, мальчик увлекался научной фантастикой, а её главным источником в то время были иллюстрированные журналы вроде «Удивительных историй» (Amazing Stories), где печатались такие классики, как Жюль Верн и Герберт Уэллс. И вот, в выпуске «Удивительных историй» за июль 1931 года Роб натолкнулся на рассказ «Спутник Джеймсон», автором которого был важный для истории жанра, хотя и плохо известный сегодня автор-фантаст Нил Джонс.
Фабула рассказа была такова: некто профессор Джеймсон (что-то вроде Илона Маска 1930-х) отправляет своё тело на орбиту Земли с расчётом на то, что в космосе, при температуре близкой к абсолютному нулю, оно станет самостоятельным спутником нашей планеты и будет оставаться нетронутым в течение неограниченного времени (недавно мы видели нечто подобное, только с манекеном вместо настоящего тела).
В рассказе так и происходит: через миллионы лет раса механических людей-киборгов находит тело Джеймсона на орбите, его мозг реанимируют, подключают к роботизированному «скелету», и бывший профессор становится полноправным членом общества пришельцев из будущего.
Рассказ произвёл неизгладимое впечатления на Эттингера, и мысль о возможности бессрочного хранения тела при низкой температуре преследовала его всю оставшуюся жизнь. Несколько лет спустя на эти впечатления наложились новости о работах французского биолога и философа Жана Ростана, который одним из первых научился сохранять биоматериалы жизнеспособными при минусовой температуре — француз работал со спермой лягушек.
В 1947 году под впечатлением его достижений Эттингер написал рассказ The Penultimate Trump, в котором идея крионики впервые была разработана в самых ярких подробностях. По мысли Роба, эта технология должна стать чем-то вроде однонаправленной машины времени, с помощью которой можно будет доставлять неизлечимо больных пациентов в светлое будущее высокотехнологичной медицины и гарантировать таким образом бессрочное долголетие человека.
Рассказ был опубликован в научно-фантастическом журнале Startling Stories, а спустя ещё полтора десятилетия примерно те же идеи, но уже в нон-фикшен-формате Эттингер изложил в своём opus magnum, книге «Перспектива бессмертия».
За публикацией последовала борьба за признание, первые сторонники, образование Крионического общества и, наконец, первые реальные замораживания. Эттингер прожил довольно долгую жизнь, видел взлёты и падения основанного им движения и умер только в 2011 году, в возрасте 92 лет. Как можно догадаться, его тело было заморожено в жидком азоте: отец крионики стал 106-м «пациентом» Cryonics Institute.
Основатель компании Alcor Мак Мур проводит экскурсию по своему криохранилищу — крупнейшему в мире на сегодня.
Песня льда без пламени
Идеи Эттингера стали ядром того движения, которое сегодня называют трансгуманизмом. Крионика в нём соседствует с киборгизацией, пропагандой радикального продления жизни, модным сейчас биохакингом и прочим киберпанком. В зависимости от личного темперамента и образовательного бэкграунда трансгуманистов эти идеи могут мутировать в более или менее радикальные формы: от вполне реалистичных (вроде выращивания Фермерские органы искусственных органов) до совершенно завиральных (вроде переселения сознания в интернет).
Рассказать историю всего этого движения в одном тексте было бы невозможно, и даже практический аспект самой крионики, удивительные истории создания компаний Alcor и «КриоРус», рассказы и впечатления их клиентов и критиков, скандалы с банкротством Alcor и потерей тел «криопациентов», — весь тот антураж, что накопился вокруг крионики за несколько десятилетий, описан столь подробно, что портить чужие репортажи пересказом было бы бессмысленно.
Так что давайте на минуту оставим в стороне скандалы и интриги, примем существование услуг замораживания как данность и попробуем разобраться с тем, насколько в принципе благородные цели крионики достижимы, а используемые ей методы адекватны задачам. Для этого нам понадобится углубиться в то, как ведут себя вода, клетки и живая ткань при понижении температуры.
Основной предпосылкой существования крионики является тот факт, что при температурах, близких к абсолютному нулю, химические процессы резко замедляются, а значит, для живой ткани время как бы останавливается, что позволяет зафиксировать состояние системы до того момента, когда мы решим, что с ней нужно делать.
Разумность такого подхода была подмечена ещё в (старом добром) правиле Вант-Гоффа, согласно которому «при понижении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции уменьшается в 2–4 раза». Для биологической ткани, которую, к примеру, охладили с 37 градусов Цельсия до температуры кипения жидкого азота, это означает замедление всех процессов как минимум на 13 порядков (223), а для ферментативных реакций, которые для биосистем гораздо важнее, падение скорости будет ещё больше.
Если говорить только о замедлении течения реакций, конкретно о точке хранения, то здесь никаких проблем у крионики нет. Это признают даже её ярые критики. Проблемы начинаются во всех остальных местах.
Чтобы достичь температуры жидкого азота, тело необходимо сначала охладить. При этом возникает множество сложных эффектов. Например, клеточные мембраны теряют свою эластичность, а белки, рассчитанные на работу при обычной температуре, могут начать денатурировать. И то, и другое — важные вещи, которые могут свести на нет усилия по сохранению жизнеспособности клеток, однако их влияние меркнет перед проблемой ледяных кристаллов.
Детальный механизм кристаллизации воды не так прост, как может показаться: он хорошо изучен для случая чистой воды (хотя и там одних только фаз у льда известно 17 штук), однако, помимо самой H2O, в тканях есть и соли, и белки, и сахара, и полупроницаемые мембраны, и много чего другого.
Причиной возникновения льда является термодинамическая выгодность этого процесса при падении температуры ниже определённого порога. Наличие в воде солей, сахаров и других веществ может понижать этот порог, но эта зависимость тоже непростая: например, соль NaСl может сохранять воду жидкой ровно до –21,4 градуса Цельсия, после чего дальнейшее возрастание её концентрации, наоборот, приводит к резкому возрастанию порога вплоть до комнатной температуры.
Ещё важно помнить, что сама по себе «выгодность процесса» не означает его немедленного осуществления: термодинамика управляет только направлением реакции, но никак не её скоростью. А эта скорость, конечно, сама по себе зависит от температуры.
На графике можно увидеть температуру замерзания раствора хлорида натрия в воде при разной концентрации соли. В нижней точке, при температуре –21,4 градусов Цельсия доля NaCl составляет 24 процента по массе. Концентрация приведена в молярных единицах.
Возьмём конкретный пример. Что обычно происходит с малиной, которую вы хотите заморозить на зиму в морозильнике? Обычно получаются внешне прекрасные твёрдые ягоды, которые после разморозки превращаются в кашицу той или иной степени однородности. Происходит это оттого, что в клетках образуются кристаллы льда, которые разрушают цельность мембран, и содержимое вытекает в межклеточное пространство. Если при заморозке в клетках возник лёд, то вернуть ситуацию вспять и спасти клетки нет никаких шансов.
Некоторые особо радикальные сторонники крионики полагают, что тут на помощь могут прийти нанороботы из далёкого будущего, которые смогут поатомно чинить повреждённые клетки. Подобные фантазии лучше читать в оригинале (например, здесь The technical feasibility of cryonics ), постоянно сравнивая заявления их авторов со способностями реально существующих нанороботов (например, таких Cellular Cargo Delivery: Toward Assisted Fertilization by Sperm-Carrying Micromotors ), и делать выводы самостоятельно.
Если возникновение внутриклеточных кристаллов льда — это мгновенный приговор, то, может быть, этот процесс можно предотвратить, если сделать процедуру заморозки более плавной? Действительно, внутри- и внеклеточное пространство сильно отличаются своим объёмом и структурой, поэтому возникновение точек нуклеации льда существенно более вероятно именно в межклеточном пространстве. При начальном охлаждении системы (то есть вблизи температуры плавления) скорость образования льда ограничивается именно количеством точек нуклеации, поэтому при достаточно медленном охлаждении лёд преимущественно возникает снаружи, а не внутри клеток.
Это потенциально гораздо более выгодная ситуация, но есть одно «но»: лёд не терпит в своей структуре почти никаких примесей, поэтому все соли и сахарá межклеточной среды при кристаллизации оказываются вытеснены в жидкую фазу. Из-за этого осмотическое давление в ткани возрастает в десятки раз и клетки подвергаются фактически медленной мумификации в рассоле (это ярко показано в экспериментах, где вместо воздействия холода клетки просто помещали в соляной раствор, концентрация которого соответствовала данной температуре, — результат в обоих случаях идеально совпадает).
На графике ниже — доля погибших эритроцитов (уровень гемолиза) в двух экспериментах. В первом проводилось замораживание, во втором — лишь инкубация в солевом растворе. В последнем случае концентрация раствора соответствовала осмотическому давлению в жидкой фазе замороженной крови, полученному на основании расчётов.
Итак, при медленном охлаждении клетки уже не разрываются, как при быстром, а наоборот, усыхают. Но вряд ли это порадует сторонников крионики: получается, что, регулируя скорость охлаждения, можно контролировать лишь причину клеточной смерти, а не устранить её саму.
Ниже приведены графики выживаемости клеток разного типа при разной скорости их охлаждения: видно, что даже в случае примитивных одноклеточных дрожжей самая оптимальная скорость охлаждения приводит к тому, что половина клеток необратимо гибнет. Это не проблема для дрожжей, у которых одной клетки достаточно для восстановления штамма. Но что будет, если (приложив титанические усилия) кому-то удастся добиться аналогичного уровня выживаемости клеток при крионировании человека? Как максимум, у вас на руках окажется не труп, а лишь полутруп.
На следующем графике — доля выживших после цикла замораживание/размораживание клеток в зависимости от скорости охлаждения образца. Для всех образцов — как дрожжей, так и клеточных линий животных — есть только одна оптимальная точка скорости охлаждения, и выживаемость в ней далека от 100 процентов.
Время и стекло
Получается, что сохранить клетки живыми при заморозке никак невозможно, а деятельность всех этих крионических компаний — это чистой воды мошенничество?
Что касается второй части этого утверждения, то большинство учёных примерно так и считают. Но вот первая часть на самом деле неверна, иначе не было бы никакого смысла начинать весь этот разговор.
Эксперименты по сохранению живых клеток и тканей при низких температурах ведутся, и довольно успешно, но их реальные результаты пока очень далеки от таких амбициозных задач, которые крионические компании как бы давным-давно решили.
Здесь следует внести одно терминологическое различие. Если крионика — это восходящая к Эттингеру идея сохранения человеческих тел для последующего оживления и лечения, то разработку методов сохранения клеток и тканей при низкой температуре называют криосохранением (криопрезервацией), а всю сопутствующую науку — криобиологией. Значительная часть специалистов в этой области — это эмбриологи, которые постоянно совершенствуют методы заморозки и разморозки спермы, яйцеклеток и даже эмбрионов и половых тканей.
Учёные постоянно пытаются адаптировать уже существующие методы криосохранения для всё более крупных и сложных органов. Уже освоены кровеносные сосуды, хрящи и роговица, на животных ведутся эксперименты с почками и яичниками. Но переносить полученные сейчас результаты на человеческое тело целиком — это всё равно что продавать земельные участки на экзопланетах системы Траппист Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1 : можно, конечно, только не удивляйтесь, если вас будут считать жуликом.
Как можно сохранить жизнеспособность клеток при замораживании, если, как мы уже установили, ни высокая, ни низкая скорость охлаждения не способна предотвратить образование льда?
Надежда на то, что это всё-таки возможно, кроется за термином «витрификация» (от латинского корня vitrum — «стекло»).
Витрификация, или остекление, подразумевает получение вещества в нестабильном аморфном состоянии, в котором образование кристаллов льда при низкой температуре по-прежнему термодинамически выгодно, но не происходит по кинетическим причинам.
Витрификации удаётся добиться в том случае, если скорость роста кристаллов не поспевает за ростом вязкости, происходящим при понижении температуры. Дело в том, что для роста кристаллов необходимо перемещение молекул воды к фронту роста кристалла, а скорость этого процесса зависит от вязкости. Если добавить в раствор вещество, которое повышает вязкость, движение молекул можно будет почти остановить, а вместе с ним остановится и рост кристаллов. Система как бы замирает, так и не достигнув более энергетически выгодного состояния.
Витрификация — это не волшебная палочка, которая позволяет магическим образом обойти запреты физики. С точки зрения практики криосохранения у неё есть свои «тёмные» стороны. Во-первых, она требует очень больших, просто-таки огромных концентраций криопротектантов — веществ, направленных на увеличение вязкости среды. Речь идёт о таких концентрациях, когда ткань фактически наполовину состоит из этого «антифриза» и лишь на другую половину — из воды. А поскольку почти любые вещества в таких концентрациях токсичны, учёные вновь сталкиваются с дилеммой: смерть ото льда или смерть от борьбы со льдом.
На графике ниже показано поведение раствора глицерина (исторически первого криопротектанта) при медленном охлаждении. На фазовой диаграмме Tm указывает температуру кристаллизации воды при данной концентрации глицерина, Tg — температуру витрификации раствора. Стрелкой показана концентрация глицерина и температура жидкой фазы системы.
Видно, что первоначальное охлаждение приводит к нестабильному состоянию, когда кристаллы льда ещё не сформировались и концентрация глицерина в оставшемся растворе постоянна. Потом концентрация начинает расти, в точности следуя за Tm до тех пор, пока в какой-то момент скорость охлаждения не опережает скорость роста кристаллов и система не преодолевает порог витрификации Tg. При большей скорости охлаждения этот перегиб происходит раньше.
Во-вторых, мало успешно достигнуть температуры витрификации, — точки, когда ткань фактически превращается в стекло.
Необходимо ещё и придумать, как из этого состояния возвращаться обратно, к комнатной температуре.
Проблема в том, что при охлаждении, движении вниз через порог остекления, общее количество льда ограничивается скоростью роста уже существующих кристаллов, однако при этом лавинообразно формируются новые центры нуклеации. При движении в обратную сторону, то есть нагревании, эти центры уже существуют, а скорость роста кристаллов при этом ускоряется с каждым градусом вплоть до температуры плавления.
Всё это приводит к тому, что критическая скорость нагревания для витрифицированных тканей всегда на несколько порядков (иногда в сотни тысяч раз) превышает критическую скорость охлаждения. Поэтому в последнее время большое внимание в этой области уделяется инновационным методам нагрева, а вовсе не охлаждения. Среди возможных вариантов Improved tissue cryopreservation using inductive heating of magnetic nanoparticles — использование радиоизлучения или индукционное нагревание предварительно введённых в ткань ферромагнитных частиц.
Реальное положение дел в этой области лучше всего описывает пример работы Грега Фахи — одного из самых известных специалистов в криобиологии (который, насколько можно судить, вообще довольно благосклонно относится к идеям трансгуманизма, что для биологов редкость). Группа Фахи несколько лет пытается научиться замораживать и размораживать почки кроликов таким образом, чтобы они сохраняли свою физиологическую функцию.
Цель этой работы понятна: согласно статистике, до 60 процентов органов, которые можно использовать при трансплантации, заканчивают свою жизнь в мусорной корзине — и это при том, что в очередях за органами стоят многие тысячи человек. Подсчитано, что если бы половина этих органов использовалась по назначению, очереди на трансплантацию в течение пары лет исчезли бы как явление.
Проблема в том, что даже в охлаждённом состоянии максимальное время жизнеспособности донорских органов измеряется часами: 36 часов для более долгоживущих почек и 4 часа для сердца и лёгких. За это время очень трудно найти правильного реципиента и быстро организовать операцию по пересадке. Создание банков замороженных органов могло бы решить эту проблему, но техническая сложность этой задачи пока не преодолена. Например, по словам Фахи, даже небольшое изменение протокола охлаждения может иметь драматические последствия для результата, что делает подбор параметров под каждый орган очень сложным.
Несколько лет назад группе удалось свести образование льда при витрификации почек кролика до 6 процентов от массы органа и доказать его жизнеспособность. Но даже такое, вроде бы небольшое количество льда разрушает кровеносную систему органа и сводит практическую пользу от трансплантации на нет. Стоит лишь в полтора раза увеличить время перфузии органа, и образование кристаллов прекратится — но клетки почек при этом резко перестанут выдерживать токсическое воздействие криопротектантов и погибнут.
Получается, что даже в случае одного конкретного органа между жизнью и смертью стоят какие-то лишние 15 минут перфузии, какие-то тонкости процедуры. Можно представить, насколько тонкая, сложная и длительная оптимизация понадобилась бы в случае, если бы мы попытались сделать то же самое с телом человека целиком. Не удивительно, что коммерческие компании, которые занимаются крионикой, предпочитают такой работе разговоры о нанороботах и неизбежной технологической сингулярности.
Заключение
Конечно, если взглянуть на проблему крионики шире, то ничего принципиально невозможного в ней нет. Тихоходки, жуки-плоскотелки, сибирские углозубы и многие лягушки, будучи ознакомлены с историей вопроса, только посмеются над человеческими проблемами: они-то давно научились выдерживать глубокую заморозку без каких-либо существенных последствий. Некоторые из них для этого самостоятельно синтезируют в своём теле криопротектанты вроде глицерина или глюкозы, другие вообще решили проблему льда радикально — почти полностью избавившись от воды в своём теле.
Но что поделаешь — человек не тихоходка. К счастью, у нас есть мозг, а значит, в какой-то момент за счёт развития технологий и прогресса криобиологии мы всё-таки сможем немного приблизиться к её блистательному совершенству.
Судя по темпам реальных достижений, ныне живущие люди этого светлого будущего ещё не застанут.
И пока мы лишь движемся в этом направлении, лучше всего руководствоваться словами популяризатора науки, основателя журнала «Скептик» Майкла Шермера, сказанными как раз по поводу крионики: «Проблема в исследовании границ возможностей науки сводится к поиску равновесия между, с одной стороны, открытости новому, вплоть до приятия радикальных идей, а с другой стороны, ограничения этой открытости, чтобы ваш мозг не выпал и не потерялся окончательно».
Литература
Популярные репортажи о практике крионики
- Inside the weird world of cryonics — репортаж Financial Times о практике крионирования в США и России (18.12.2015).
- «Ледяное бессмертие» — репортаж РБК о деятельности компании «Криорус» (19.02.2014).
- «Сальто в иммортале» — репортаж Светланы Рейтер о российском движении трансгуманистов (Lenta.ru, 14.01.2014).
Научные работы
- Cryopreservation and Freeze-Drying Protocols. Methods in Molecular Biology / Ed. by Wolkers, Willem F., Oldenhof, Harriette. — Hannover: Humana Press, 2015. Современное руководство по методам криосохранения, витрификации и сублимации. Обширная вводная часть книги описывает физические и биологические основы поведения тканей при заморозке. Третье издание можно увидеть тут.
- The promise of organ and tissue preservation to transform medicine / Giva, S. Et al. — Nature Biotechnology, 2017. Обзор проблем сохранения жизнеспособности органов при трансплантации и существующих технологий их решения. Статья позволят понять контекст, в котором развитие медицины могло бы привести к созданию научно-обоснованной крионики.
- Thermal Analyses of a Human Kidney and a Rabbit Kidney During Cryopreservation by Vitrification. Пример современного состояния методов криосохранения в случае одного конкретного органа — почек. Работа группы Фахи, сделанная на почках кролика, с экстраполяцией результатов моделированием на почки человека.
