Zakaj je krioprezervacija pri -196 stopinjah Celzija?

Vprašanje, ki si ga vredno jemliti dobesedno, je: kaj v resnici poskušamo doseči, ko ohranimo človeka? Odgovor ni v tem, da ga naredimohladnega. Hladno je le metoda, nikoli cilj. Cilj je ustaviti čas za telo, ustaviti biologijo tako popolnoma, da razlika med enim letom in deset tisoč leti ne more imeti pomena. Skoraj vse ostalo, vključno s čudno specifično številko v naslovu, izhaja neposredno iz tega enega zahtevka.

Vprašanje, ki je pomembno, torej ni zakaj tako hladno. Vprašanje je: kako hladno morate biti, da se kemija ustavi? Ta prag je stekleni prehod raztopine kriozaščitnega sredstva, okoli -130°C. Pod njim se gibanje molekul ustavi in presnova se popolnoma ustavi, tako da kemija sploh ne more teči. -196°C ni ta prag. Gre za vrelišče tekočega dušika, ki se samostojno drži pod pomembno mejo brez pomoči.

Propadanje je le kemija, ki se še ni ustavila

Ko rečemo, da telo propada, opisujemo kemijo: encimi razgrajujejo molekule, reakcije tečejo, mikrobi delajo, kar mikrobi delajo. Vsak od teh procesov potrebuje, da se molekule premikajo in trčijo. Zmanjšajte gibanje in zmanjšate kemijo. Zmanjšajte dovolj, da se, za vse praktične namene, ura ustavi.

Tukaj je uporaben pravilo poenostavitve. Kot grobo približek znižanje temperature za približno 10°C zmanjša hitrost tipične reakcije za približno polovico. To ne zveni dramatično, dokler ne zložite dovolj teh zmanjšanj drug na drugega. Prehod iz telesne temperature v globoko mraz ne upočasni propadanja za faktor dva ali deset, ampak za faktorje z veliko ničlami za njimi.tekma proti celičnemu propadanju ki se začne v trenutku, ko se srce ustavi, je v končni analizi tekma, da dosežemo dovolj nizko temperaturo, da tekma sama po sebi ne more več imeti pomena.

Led je antagonist. Steklo je protagonist.

Morda bi predpostavili, da je trik preprosto zmrzniti nekoga. To ni res, in voda je razlog. Voda, tisto najzanesljivejše gospodinjsko sredstvo, vas izda v trenutku, ko zmrzne: se razširi, in rastoči ledeni kristali raztrgajo celične membrane ter raztrgajo občutljive strukture. Kristali niso edini problem. Ko se čista voda kristalizira, se soli in drugi raztopljeni delci skoncentrirajo v vedno manjšem prostoru tekoče faze, ki je še preostala. Celice, ki so v temvedno bolj skoncentrirani raztopini izgubljajo vodo in jih poškoduje osmotski stres. Noben kristal jih nikoli ne dotakne. Če bi človeka zmrznili na način, kako zmrznemo govejo pečeno, bi to bilo učinkovit način, da uničite ravno tisto, kar poskušate ohraniti.

Rešitev je vvitrifikaciji. Večina vode v telesu je zamenjana zkriozaščitnimi sredstvi, vrsto zdravstvenega protivzmrznilnega sredstva, in tkivo je ohlajeno dovolj hitro, da se nikoli ne kristalizira. Namesto tega se spremeni v steklasti stanju: trdna snov brez ledu, brez ostrih robov kristalov, brez ničesar, kar bi se razširilo in raztrgalo.Vitrificirano tkivoje zamrznjen v vsakdanjem pomenu zelo mrzle in trdne snovi, vendar v nobenem primeru ni zamrznjen v uničujočem, kristalizirajočem pomenu. Ta razlika je bistvo celotne zadeve.

Število, ki je v resnici pomembno, je približno -130°C

Tu je del, ki preseneča ljudi: temperatura, ki je v resnici pomembna, ni -196°C sploh. Gre za temperaturo steklastega prehoda, ki je nekje okoli -130°C, točko, pod katero se vitrificirano stanje trdno zaklene. Nad njo se steklasto stanje lahko počasi sprošča. Še slabše, lahko se začne ponovno kristalizirati. Ponovna kristalizacija je le led, ki se pozno priključi na zabavo. Pod njo se molekularno gibanje tako zmanjša, da struktura preprosto ostane v mestu.

Če je torej -130°C temperatura, pri kateri se steklasto stanje stabilizira, zakaj se spustiti celo do -196°C? Iz istega razloga, kot ne nastavljate svoje zamrzovalne vitrine na natanko 0°C in prekrižate prste: želite si varnostno mejo. Shranjevanje tkiva več kot 60 stopinj pod temperaturo steklastega prehoda ga drži globoko v varni coni. To je daleč od katerekoli temperature, kjer bi se steklasto stanje lahko omililo ali bi se led ponovno pojavil. To preobrne stabilnost, če se nič ne pokvari, v stabilnost z veliko varnostno mejo proti tveganju, da se kaj pokvari, kar je edina vrsta stabilnosti, na katero se lahko zanesemo pri igranju življenja.

Zakaj prav -196? Narava nam ponuja brezplačen termostat.

Specifična vrednost -196°C ni izbrana s komitejem. Gre za temperaturo, pri kateri vre kapljevinski dušik, in ta en sam dejavnik naredi iz njega skoraj neupravičeno priročen.

Vrelo tekočino ohranja svojo temperaturo. Dokler je v posodi kapljevinski dušik, so vsebina v njej pri -196°C, ne toplejša in ne hladnejša, ne glede na to, kaj se dogaja v sobi. To je samoregulirajoči termostat brez gibajočih se delov, brez kompresorja in ključnega pomena brez odvisnosti od elektrike. Pacienti in vzorci počivajo znotraj vakuumsko izoliranihdewarjev, ki so v bistvu zelo resni termoski, ki upočasnijo vstop toplote v počasno kapljo. Edino rutinsko vzdrževanje je dopolnjevanje dušika, ki se počasi izpareva. Primerjajte to z mehanskim zamrzovalnikom, ki odpove takoj, ko pride do izpada električne energije. Zakon termodinamike, na razliko od lokalnega omrežja, nikoli ne zbolijo.

Dušik se tudi po sreči izkaže za poceni, razširjenega (je večina zraka, ki ga trenutno dišete), inerten in negorljiv. Če bi se lotili načrtovanja idealnega sredstva za dolgoletno shranjevanje iz nič, bi težko presegli snov, ki jo lahko vlečemo neposredno iz ozračja.

Cena, ki jo ima ta mraz

Kapljevinski dušik nima gibajočih se delov, in to priročnost ima svojo ceno. Med temperaturo steklastega prehoda in -196°C je še šestinšestdeset stopinj hlajenja, in vitrificirana trdnina se skozi celoten postopek krči. Do takrat je krhka, zato se krčenje ne more sprostiti. To ustvarja mehansko napetost, in po določeni meji material napetost ublaži s tvorbo razpok.

Učinek je v laboratoriju ponovljiv. Razpokanje v vitrificiranih raztopinah krioprotektantov sleditermalnemu krčenju in temperaturnim gradientom, ki jih ustvarja hitro hlajenje skozi velik predmet. Raztopine z višjo temperaturo steklastega prehoda manj razpokajo, ker je manj hlajenja, ko se material spremeni v trdno snov.

Celotno telo je težek primer. Razpokanje običajno se začne pod temperaturo steklastega prehoda. Če je perfuzija krioprotektantov potekala slabo, se lahko začnekar pri -90°C. Razpoke segajo od tistih, ki jih lahko vidite, do mikroskopskih ločitev. Razpoka loči tkivo vzdolž ravnine namesto da bi ga zmešala, zato struktura na obeh straneh preživi, vendar je vsaka razpoka škoda, ki jo bo morala v prihodnosti popraviti.

Trenutni odgovor je potrpljenje. Celoten postopek ohlajanja traja skoraj teden dni. Spust skozi temperaturo steklastega prehoda in pod njo je naj počasnejši del, ki poteka pri približno enem stopinju na uro pod računalniškim nadzorom. počasnejše hlajenje pomeni manjše gradient, in manjši gradienti pomenijo manj napetosti.

Shranjevanje v vmesni temperaturi

Bolje je ustaviti hlajenje prej. Srednje temperaturno shranjevanje (Intermediate Temperature Storage) drži pacienta pri približno -140°C namesto pri -196°C. To je še vedno deset stopinj pod steklasto prehodno temperaturo namesto šestintridesetih, zato se molekularno gibanje ustavi in nič se ne razgradi, z veliko manjšo kontrakcijo, ki jo je treba preživeti.

Inženiring je pasiven. Rezervoar tekočega dušika stoji na dnu dewarja, pacient pa je v hladni paro nad njim, pri čemer je prostor za paro reguliran na ciljno temperaturo. Ni kompresorja in ni odvisnosti od električnega omrežja, kar je tudi razlog, zakaj se tekoči dušik uporablja za shranjevanje že od samega začetka.

Prvi človeški ITS dewar (Intermediate Temperature Storage dewar) prispe v objekt European Biostasis Foundation v Švici avgusta 2026. Prva naloga je merjenje, koliko tekočega dušika dejansko porablja, ker to število določa stroške shranjevanja pacienta za stoletje. ITS se članom ne ponuja, dokler tega stroška ne poznamo.

Kaj se dejansko ohrani tam spodaj

V -196°C se biološki čas praktično ustavi. Dejavnost encimov se ustavi, mikrobi se ne morejo razmnoževati, spontane reakcije, ki sicer razgradijo tkivo, nimajo dovolj energije, da bi se nadaljevale. Molekularna zgradba telesa, predvsem pa možganov, ostane točno takšna, kot je bila.

Prav ta zadnja točka je tista, ki je najpomembnejša. Vsebina stavi zabiostazijo je, da je tisto, kar vas naredivas, zapisano v fizikalni strukturi: v povezavah in vzorcih v možganih, kar je predmetspomina, identitete in možganov. Če to strukturo ohranite, ohranite informacijo, tudi če trenutno ne obstaja tehnologija, ki bi jo lahko prebrala in obnovila funkcijo. Hladno ni čarobno. Je gumb za pavzo, ki je pritiskajo dovolj močno, da ima informacija čas počakati, da jo prihodnost dohiti.

Za to ni potrebna popolna naprava ali neprekinjen električni napajalec. Potrebno je steklasto stanje namesto ledu in temperatura, ki je dovolj pod steklasto prehodno temperaturo. Prav tako je potrebna vrela tekočina, ki se samodejno uravnava na točno pravo vrednost. To je tiha eleganca -196°C: to je temperatura, pri kateri lahko ohranjena oseba, v najdoslovnejšem pomenu, ki ga lahko razumemo, počaka.

Dodatno branje

• Zakaj ne moremo krioprezervirati človeka medtem, ko je še živ?
• Ohranjanje brez zamrzovanja
• Zakaj je trenutno oživitev nemogoča?
• Kritični slovar