Štai klausimas, kurį verta suprasti pažodžiui: ko iš tikrųjų siekiame, kai išsaugome žmogų? Atsakymas nėra jį atšaldyti. Šaltis yra metodas, o ne tikslas. Tikslas yra sustabdyti kūno laiką, tai yra taip visiškai sustabdyti biologiją, kad skirtumas tarp vienų ir dešimties tūkstančių metų nustotų turėti reikšmės. Beveik visa kita, įskaitant keistai konkretų skaičių pavadinime, tiesiogiai išplaukia iš šio vieno reikalavimo.
Taigi naudingas klausimas yra ne kodėl taip šalta. Jis toks: kiek reikia atšaldyti, kad sustotų chemija? Ta riba yra krioprotektoriaus tirpalo stiklėjimo temperatūra, maždaug -130°C. Žemiau jos molekulinis judėjimas sustabdomas, o medžiagų apykaita visiškai nutrūksta, todėl chemijai nebelieka kur vykti. -196°C nėra ta riba. Tai skysto azoto virimo temperatūra, esanti gerokai žemiau svarbiosios ribos ir išsilaikanti savaime, be jokios pagalbos.
Irimas yra tiesiog chemija, kuri dar nesustojo
Kai sakome, kad kūnas irsta, apibūdiname chemiją: fermentus, kapojančius molekules, vykstančias reakcijas, mikrobus, darančius tai, ką mikrobai daro. Kiekvienam iš šių procesų reikia, kad molekulės judėtų ir susidurtų. Sulėtinkite judėjimą ir sulėtinsite chemiją. Sulėtinkite jį pakankamai, ir praktiniais tikslais laikrodis sustos.
Čia praverčia paprasta nykščio taisyklė. Apytiksliai vertinant, temperatūros sumažinimas maždaug 10°C beveik perpus sulėtina tipinės reakcijos greitį. Tai neskamba įspūdingai, kol nesudėsite pakankamai tokių perpus mažinimų vieno ant kito. Nusileidimas nuo kūno temperatūros į gilų šaltį sulėtina irimą ne du ar dešimt kartų, o tiek kartų, kad skaičiuje lieka daugybė nulių. Lenktynės su ląstelių irimu, prasidedančios tą akimirką, kai sustoja širdis, galiausiai yra lenktynės pasiekti tokią žemą temperatūrą, kad pačios lenktynės nebeturėtų reikšmės.
Ledas yra piktadarys. Stiklas yra herojus.
Galite manyti, kad visas triukas yra tiesiog žmogų užšaldyti. Taip nėra, ir priežastis yra vanduo. Vanduo, ta patikimiausia buitinė medžiaga, išduoda jus tą akimirką, kai užšąla: jis plečiasi, o augantys ledo kristalai plėšo ląstelių membranas ir ardo trapias struktūras. Kristalai nėra vienintelė bėda. Kristalizuojantis grynam vandeniui, likusios druskos ir kitos ištirpusios medžiagos susikoncentruoja mažėjančiame skysčio lopinėlyje. Ląstelės, esančios tokiame vis labiau koncentruotame tirpale, netenka vandens ir patiria osmosinę žalą. Jokie kristalai jų net nepaliečia. Užšaldyti žmogų taip, kaip užšaldomas kepsnys, būtų veiksmingas būdas sunaikinti būtent tai, ką bandote išsaugoti.
Kelias aplink šią kliūtį yra vitrifikacija. Didžioji dalis kūno vandens pakeičiama krioprotekcinėmis medžiagomis, savotišku medicininiu antifrizu, o audinys atšaldomas pakankamai greitai, kad apskritai nespėtų kristalizuotis. Vietoj to jis sustingsta į stiklą primenančią būseną: kietą kūną be ledo, be aštrių kristalų briaunų, be nieko, kas plėstųsi ir plyštų. Vitrifikuotas audinys yra sušalęs buitine prasme, tai yra labai šaltas ir kietas, tačiau jis kategoriškai nėra sušalęs ta ardančiąja, kristalus formuojančia prasme. Šis skirtumas ir yra visa esmė.
Skaičius, kuris iš tikrųjų svarbus, yra apie -130°C
Štai dalis, kuri žmones nustebina: iš tikrųjų svarbi temperatūra visai nėra -196°C. Tai stiklėjimo temperatūra, esanti kažkur apie -130°C, riba, žemiau kurios vitrifikuota būsena standžiai užsifiksuoja. Aukščiau jos stiklą primenanti būsena gali lėtai atsipalaiduoti. Dar blogiau, ji gali pradėti perkristalizuotis. Perkristalizacija yra tiesiog pavėluotai į vakarėlį atvykęs ledas. Žemiau jos molekulinis judėjimas sumažėja tiek, kad struktūra tiesiog laikosi.
Taigi jei ties -130°C stiklą primenanti būsena tampa stabili, kam leistis iki pat -196°C? Dėl tos pačios priežasties, dėl kurios šaldiklio nenustatote lygiai ties 0°C ir nesukryžiuojate pirštų: norite atsargos. Audinio laikymas daugiau nei 60 laipsnių žemiau stiklėjimo temperatūros palieka jį giliai saugioje zonoje. Tai toli nuo bet kokios temperatūros, kurioje stiklą primenanti būsena galėtų suminkštėti arba galėtų sugrįžti ledas. Taip stabilu, jei niekas nesuges virsta stabilu su didele atsarga tam atvejui, jei kas nors suges, o tik tokia stabilumo rūšis verta statyti ant jos gyvybę.
Kodėl būtent -196? Gamta duoda mums nemokamą termostatą.
Konkreti -196°C reikšmė nėra parinkta komiteto. Tai temperatūra, kurioje verda skystas azotas, ir vien šis faktas daro ją beveik nesąžiningai patogią.
Verdantis skystis išlaiko savo temperatūrą. Kol inde yra skysto azoto, turinys išbūna ties -196°C, nei šilčiau, nei šalčiau, nesvarbu, kas vyksta kambaryje. Tai savaime besireguliuojantis termostatas be judančių dalių, be kompresoriaus ir, o tai lemiama, be jokios priklausomybės nuo elektros. Pacientai ir mėginiai ilsisi vakuuminės izoliacijos diuaruose, iš esmės labai rimtuose termosuose, kurie prasiskverbiančią šilumą sulėtina iki vėžlio greičio. Vienintelė nuolatinė priežiūra yra papildyti lėtai išgaruojantį azotą. Palyginkite tai su mechaniniu šaldikliu, kuris sustoja tą akimirką, kai dingsta elektra. Termodinamikos dėsniai, kitaip nei vietos elektros tinklas, niekada neserga.
Azotas taip pat yra pigus, gausus (jo daugiausia yra ir tame ore, kurį dabar kvėpuojate), inertiškas ir nedegus. Jei imtumėtės nuo nulio kurti idealų ilgalaikio saugojimo šaldymo agentą, vargu ar pralenktumėte medžiagą, kurią galime tiesiog paimti iš atmosferos.
Tokio gilaus šalčio kaina
Skystas azotas neturi judančių dalių, ir šis patogumas turi savo kainą. Tarp stiklėjimo temperatūros ir -196°C lieka dar šešiasdešimt šeši laipsniai atšaldymo, o vitrifikuotas kietas kūnas visą tą kelią traukiasi. Tuo metu jis jau trapus, todėl susitraukimas negali atsipalaiduoti. Taip kaupiasi mechaninis įtempis, o peržengusi tam tikrą ribą medžiaga jį išlaisvina suskildama.
Šis reiškinys atkartojamas laboratorijoje. Vitrifikuotų krioprotektoriaus tirpalų skilimas atitinka šiluminį susitraukimą ir temperatūros gradientus, kuriuos dideliame objekte sukuria greitas atšaldymas. Tirpalai, kurių stiklėjimo temperatūra aukštesnė, skyla mažiau, nes medžiagai sukietėjus lieka mažiau atšaldymo kelio.
Sunkiausias atvejis yra visas kūnas. Skilimas paprastai prasideda žemiau stiklėjimo temperatūros. Jei krioprotektoriaus perfuzija pavyko prastai, jis gali prasidėti jau ties -90°C. Įskilimai svyruoja nuo tokių, kuriuos galėtumėte pamatyti, iki mikroskopinių atsiskyrimų. Įtrūkis perskiria audinį išilgai plokštumos, o ne jį sumaišo, todėl struktūra abiejose pusėse išlieka, bet kiekvienas įtrūkis yra žala, kurią būsimam atkūrimui teks ištaisyti.
Dabartinis atsakymas yra kantrybė. Visas atšaldymas trunka beveik savaitę. Lėčiausia dalis yra nusileidimas per stiklėjimo temperatūrą ir žemiau jos, vykdomas maždaug vieno laipsnio per valandą greičiu, valdant kompiuteriui. Lėtesnis atšaldymas reiškia mažesnius gradientus, o mažesni gradientai reiškia mažesnį įtempį.
Saugojimas tarpinėje temperatūroje
Geresnis atsakymas yra nustoti šaldyti anksčiau. Saugojimas tarpinėje temperatūroje palaiko pacientą apie -140°C, o ne -196°C. Tai vis tiek dešimt laipsnių žemiau stiklėjimo temperatūros, o ne šešiasdešimt šeši, todėl molekulinis judėjimas lieka sustabdytas ir niekas neyra, o susitraukimo, kurį reikia ištverti, yra kur kas mažiau.
Inžinerinis sprendimas yra pasyvus. Diuaro apačioje yra skysto azoto rezervuaras, o pacientas laikomas šaltuose garuose virš jo, garų erdvę reguliuojant iki tikslinės temperatūros. Jokio kompresoriaus ir jokios priklausomybės nuo elektros tinklo, o būtent dėl to skystu azotu apskritai pasitikima saugojimui.
Pirmasis žmogaus dydžio ITS diuaras į European Biostasis Foundation įstaigą Šveicarijoje atkeliauja 2026 metų rugpjūtį. Pirmasis darbas bus išmatuoti, kiek skysto azoto jis iš tikrųjų sunaudoja, nes šis skaičius lemia paciento saugojimo šimtmetį kainą. Nariams ITS nesiūlomas, kol ta kaina nežinoma.
Kas iš tikrųjų išlieka ten, apačioje
Ties -196°C biologinis laikas iš esmės sustoja. Fermentų veikla nutrūksta, mikrobai negali augti, o savaiminės reakcijos, kurios kitu atveju ardytų audinį, neturi nė iš tolo pakankamai energijos vykti. Kūno ir, svarbiausia, smegenų molekulinė architektūra lieka lygiai ten, kur buvo.
Ši paskutinė mintis yra svarbiausia. Statymas, kuriuo remiasi biostazė, yra toks: tai, kas daro jus jumis, užkoduota fizinėje struktūroje, tai yra smegenų jungtyse ir raštuose, o apie tai kalba straipsnis atmintis, tapatybė ir smegenys. Sustabdykite tą struktūrą ir išsaugosite informaciją, net jei technologijos, galinčios ją perskaityti ir atkurti funkciją, dar nėra. Šaltis nėra magija. Tai pauzės mygtukas, paspaustas pakankamai tvirtai, kad informacija turėtų laiko palaukti, kol ateitis ją pasivys.
Niekam iš to nereikia nepriekaištingos mašinos ar nenutrūkstamo elektros tiekimo. Reikia stiklą primenančios būsenos vietoj ledo ir temperatūros, patogiai žemesnės už stiklėjimo temperatūrą. Taip pat reikia verdančio skysčio, kuris pats prisitvirtina prie lygiai tinkamos reikšmės. Toks yra tylusis -196°C elegantiškumas: tai temperatūra, kurioje išsaugotas žmogus gali, tiesiogine mums prieinama prasme, laukti.
Trumpai: Pacientai saugomi apie -196°C, nes skystas azotas natūraliai išlieka apie šią temperatūrą. Molekulinės reakcijos tampa ypač lėtos, o saugojimas nepriklauso nuo nuolat maitinamo šaldymo.
Išbandykite šią praktinę priemonę
Naudokite interaktyvią priemonę, kad išnagrinėtumėte šiame straipsnyje keliamą klausimą.
Įkeliama interaktyvi priemonė...
Daugiau skaitinių