Ņujorkas Ročesteras Universitātes Medicīnas centra (URMC) pētnieku komanda ir paziņojusi par savu pētījumu rezultātiem. Ilgstoši astronauti kosmosā, piemēram, lidojuma laikā uz Marsu, galaktiskā starojuma dēļ var izraisīt veselības problēmas. Jo īpaši smadzeņu deģenerācijai un, iespējams, pat Alcheimera slimības sākumam.
Iepriekš, 2012. gadā, par līdzīgiem atklājumiem ziņoja Krievijas zinātnieki. Kā laikrakstā Ploschad Mira raksta Natālija Terjajeva, “ja jūs lidojat Marsa ekspedīcijā ar modernu kosmosa kuģi, lidojums ilgs vismaz 500 dienas. Šajā kosmosa misijas periodā astronautu veselība var tikt neatgriezeniski zaudēta.
Par to liecina krievu radiobiologu un fiziologu pētījumu rezultāti, kas tika apspriesti Apvienotajā kodolpētniecības institūtā (JINR) Krievijas Zinātņu akadēmijas Fizioloģijas un fundamentālās medicīnas katedras biroja apmeklējuma sanāksmē.
Vislielākās briesmas zinātnieki redz galaktiskajā starojumā: tas var atņemt cilvēkam redzi un saprātu, bez kura nebūs iespējams sasniegt mērķi vai atgriezties mājās.
Pētnieku izteikumi par smago jonu bīstamību astronautu organismam nav spekulatīvi, tie ir balstīti uz paātrinātāja eksperimentu ar dzīvniekiem datiem, kas veikti Apvienotā kodolpētniecības institūta (LRB JINR) Radiācijas bioloģijas laboratorijā sadarbībā ar Krievijas Zinātņu akadēmijas Biomedicīnisko problēmu institūtu (IMPB RAS), Bioķīmijas institūtu RAS (IBCh RAS) un sadarbībā ar Amerikas Nacionālās kosmosa aģentūras (NASA) biologiem.
Smagie joni ir briesmīgāki par protoniem
Dziļā kosmosā - aiz Zemes magnētiskā lauka - cilvēku gaida bīstams kosmiskais starojums, kas izplūst no galaktikas dziļumiem.
Reklāmas video:
"Galaktiskie kosmiskie stari ir elementāru daļiņu - vieglo un smago jonu - plūsmas," skaidro Mihails Panasjuks, Skobelcinas kodolfizikas pētniecības institūta (SINP MSU) direktors. - Kosmisko staru atomos nav elektronu čaulu, patiesībā tie ir "kaili" kodoli. Iemesls tam ir mijiedarbība ar matēriju to pārnešanas procesā Visumā. Visizplatītākais kosmisko staru elements ir ūdeņradis, un tā joni ir protoni. Šīs daļiņas paātrina triecienviļņi - supernovas sprādzienu paliekas. Šādas zvaigznes mūsu Galaktikā eksplodē ne biežāk kā reizi 30 - 50 gados.
Galaktisko kosmisko staru daļiņu plūsma ir nemainīga, atšķirībā no saules kosmiskajiem stariem, kas saules uzliesmojumu laikā rodas uz Saules vai starpplanētu vidē. Tāpēc saules kosmisko staru kopējais ieguldījums ilgākā laika posmā ir nenozīmīgs. Bet Saules uzliesmojumu laikā (vairākas stundas, dienas) Saules kosmisko staru plūsma var pārsniegt galaktisko kosmisko staru plūsmu. Turklāt saules kosmisko staru daļiņu enerģija parasti ir mazāka nekā galaktisko kosmisko staru daļiņu enerģija. Ir arī ekstragalaktiski kosmiski stari, kas mūsu Galaktikā nonāk no citām galaktikām. Viņu enerģija ir lielāka nekā galaktisko kosmisko staru, bet plūsmu ir daudz mazāk. Kosmiskajiem stariem ir milzīgs enerģijas diapazons: no 106 (1 MeV) līdz 1021 eV (1 ZeV)."
Enerģijas-masas spektrometri, kas uzstādīti kosmosa izpētes satelītos, reģistrēja kosmisko staru sastāvu. Izrādījās, ka nedaudz mazāk nekā viens procents no visām galaktiskā starojuma daļiņām ir smagie joni ar enerģiju 300 - 500 MeV / nukleons - smago ķīmisko elementu kodoli. Galaktiskā starojuma vieglo un smago jonu daļa satur lielāko daļu oglekļa, skābekļa un dzelzs jonu - no šiem stabilajiem elementiem zvaigžņu kodoli veidojas zvaigžņu evolūcijas rezultātā.
Kosmosa satelītu mērījumu rezultāti kalpoja par pamatu turpmākajiem modeļa aprēķiniem, kas parādīja, ka ārpus Zemes magnetosfēras uz kvadrātcentimetru platības gadā krīt aptuveni 105 smagi joni un dienā ar aptuveni 160 daļiņām ar uzlādi Z, kas lielāka par 20. Tas nozīmē, ka lidojuma laikā uz Marsu katru dienu tieši šāds skaits no viņiem nokritīs uz kosmonauta ķermeņa virsmas kvadrātcentimetru.
Kosmosa smagie joni ir tik enerģiski, ka tie kosmosā "caururbj" moderna kosmosa kuģa ādu, piemēram, lielgabalu bumbas, kas bombardē smalku zīdu. JINR Radiācijas bioloģijas laboratorijas zinātnieki ir noskaidrojuši, kā tas var kaitēt Zemes sūtņu veselībai garā ceļojumā.
Uz Marsu - pieskaroties?
"Mums izdevās noskaidrot, kāpēc vienas un tās pašas dažādu starojumu devas (smagā jonu plūsma, neitroni, gamma starojums) atšķirīgi ietekmē dzīvās šūnas," saka Jevgeņijs Krasavins, LRB JINR direktors, RAS korespondences loceklis. - Izrādījās, ka atšķirīgās radiācijas iedarbības efektivitātes atšķirības ir saistītas gan ar radiācijas fizikālajām īpašībām, gan ar pašas dzīvās šūnas bioloģiskajām īpašībām - ar spēju atjaunot DNS bojājumus pēc apstarošanas. Eksperimentos ar smagajiem jonu paātrinātājiem mēs noskaidrojām, ka vissmagākie DNS bojājumi rodas smago jonu ietekmē. Atšķirību starp rentgena (fotonu kūļa) un smago jonu kūļa triecienu var iedomāties šādi: neliela šāviena šaušana no ieroča sienā ir rentgena kaitējums,šaut lielgabala lodi pie tās pašas sienas ir iznīcināšana no viena smaga jona. Smagās daļiņas, kurām ir liela masa, zaudē daudz vairāk enerģijas par vienu nobraukto attālumu vienību nekā tās, kuras ir vieglākas. Tāpēc, izejot caur šūnu, smagais jons savā ceļā rada lielu iznīcību. Kad smagā daļiņa iziet cauri šūnas kodolam, tiek izveidoti "kopu tipa" bojājumi ar vairākiem ķīmisko saišu pārtraukumiem DNS fragmentā. Tie izraisa dažāda veida smagus hromosomu bojājumus šūnu kodolos. "Kad smagā daļiņa iziet cauri šūnas kodolam, tiek veidoti "kopu tipa" bojājumi ar vairākiem ķīmisko saišu pārtraukumiem DNS fragmentā. Tie izraisa dažāda veida smagus hromosomu bojājumus šūnu kodolos. "Kad smagā daļiņa iet caur šūnas kodolu, tiek izveidots "kopu tipa" bojājums ar vairākiem ķīmisko saišu pārtraukumiem DNS fragmentā. Tie izraisa dažāda veida smagus hromosomu bojājumus šūnu kodolos."
Turklāt zinātnieku pamatojuma loģika bija šāda. Ūdeņraža joniem (protoniem) ar 200-300 MeV / nukleona enerģiju pirms pilnīgas palēnināšanās ir laiks izskriet cauri ūdenim 11 cm garam ceļam. Cilvēka ķermenis ir 90% ūdens. Ekstrapolējot šo rezultātu uz dzīvu cilvēka ķermeni, mēs secinām: pat gaismas joni ceļā var sabojāt tūkstošiem mūsu ķermeņa šūnu. Smago jonu gadījumā, kuru lādiņš pārsniedz 20, vajadzētu sagaidīt vēl nožēlojamāku rezultātu veselībai.
Kādus cilvēka orgānus vissmagāk un dzīvībai bīstamāk var sabojāt galaktiskie smagie joni?
- Ja jūs domājat par ķermeņa audu, piemēram, asiņu vai ādas, aktīvu vairošanos - strauju atjaunošanos, tad to dabisko īpašību radītie bojājumi ātri atjaunosies, - skaidro LRB JINR direktors Jevgeņijs Krasavins. - Bet uz statiskajiem audiem - centrālās nervu sistēmas, acīm, kurām nav dabiskas spējas ātri novērst bojājumus, pastāvīgai smago jonu plūsmai būs slāņveida kaitīga ietekme, izraisot regulāru šūnu nāvi. Bet centrālā nervu sistēma un acs ir mūsu ķermeņa kontroles "mikroshēmas".
Eksperimentos ar dzīvniekiem Dubnā radiobiologu grupa, kuru vadīja Krievijas Zinātņu akadēmijas akadēmiķis Mihails Ostrovskis, pētīja smago jonu ietekmes mehānismus uz acs struktūrām - lēcu, tīkleni un radzeni. Pie JINR paātrinātājiem peles un to lēcas kristālīnu (olbaltumvielu) šķīdumus apstaroja ar 100-200 MeV protonu stariem.
"Cilvēku un mugurkaulnieku kristāliskā lēca 90% apmērā sastāv no alfa, beta un gamma kristalīniem," teica akadēmiķis Ostrovskis savā runā Krievijas Zinātņu akadēmijas Fizikālās matemātikas un mehānikas katedras biroja apmeklējuma sanāksmē. - Šo olbaltumvielu saturs objektīvā ir aptuveni vienāds, taču tie būtiski atšķiras pēc struktūras un molekulmasas. Ultravioletā starojuma vai starojuma iedarbība var izraisīt kristālisko agregāciju - necaurspīdīgu šķiedru parādīšanos objektīvā. Agregācijas rezultātā veidojas lieli gaismu izkliedējoši konglomerāti, kas noved pie lēcas apduļķošanās, tas ir, kataraktas veidošanās. Iet caur acs lēcu, pat atsevišķi smagi joni pēc kāda laika var izraisīt tā duļķainību.
Atgriezieties uz Zemes kā Homo sapiens
Vismaz radiobiologi ir pētījuši smago jonu kaitīgo ietekmi uz centrālo nervu sistēmu. Pēc NASA ekspertu domām, Marsa misijas laikā no 2 līdz 13 procentiem nervu šūnu šķērsos vismaz viens dzelzs jons. Un viens protons lidos caur katras ķermeņa šūnas kodolu ik pēc trim dienām. Tāpēc pastāv nopietnas briesmas, ka kuģa apkalpe izturēsies neatgriezeniski. Tas apdraud kopējo misiju. Smadzenes ir ļoti delikāts instruments, un mazu to daļu darbības traucējumi var izraisīt visa ķermeņa darbības zaudēšanu, kā tas ir cilvēkiem ar insultu vai Alcheimera slimību.
NASA Kosmosa radiācijas laboratorijā Brukhavenā, izmantojot dzelzs jonu staru, kas paātrināts līdz 1 GeV / nukleona enerģijai, uz Brookhavenas Nacionālās laboratorijas RHIC sadursmes smago jonu priekšātrinātāja tika simulēts galaktiskais starojums. Žurku eksperimentu sauca par "kognitīvo testu". Nelielu cietu laukumu ievietoja apaļā baseinā zem plāna necaurspīdīga ūdens slāņa. Laboratorijas žurkas, kuras vispirms bija veselīgas un pēc tam apstarotas ar dzelzs jonu stariem, palaida šajā baseinā un novēroja, cik ātri dzīvnieki var atrast šo zonu un uzkāpt uz tās. Veselas žurkas ātri atrada vietu un gāja uz to pa īsāko ceļu. Apstarošana ar smagajiem joniem dramatiski mainīja dzīvnieku kognitīvās funkcijas (mācīšanās spējas). Mēnesi pēc apstarošanas žurkas uzvedība krasi mainījās. Viņa cilpojailgu laiku viņa riņķoja pa baseinu, līdz gandrīz nejauši izdevās sajust cieto zemi zem kājām. Dzīvnieka domāšanas spējas bija ļoti traucētas. Kad žurkas apstaroja ar rentgena un gamma starojumu, šis efekts netika novērots.
Lai atspoguļotu iespējamās cilvēka ķermeņa apstarošanas sekas ar smagajiem joniem, ir nepieciešams “spēlēt” kosmiskā apdraudējuma modeli primātiem, uzskata pētnieki. Neskatoties uz to, grauzējiem atklātais kaitējums, ko rada smago jonu galaktiskā starojuma ietekme, ir pietiekami pārliecinošs, lai par to nedomātu, plānojot cilvēku sūtīt garā lidojumā uz Marsu.
Kā izvairīties no nepatikšanām
No tā, ko šodien zina fiziķi un biologi, izriet, ka radiācijas bojājumu risku astronautiem vairāk nekā gadu ilgā ceļojumā uz Marsu nevar samazināt līdz nullei. Līdz šim pastāv veidi, kā samazināt šo risku ideju veidā.
Pirmā ideja: plānot lidojumu uz Marsu maksimālā Saules cikla laikā. Šajā laikā galaktisko kosmisko staru plūsma būs mazāka, pateicoties tam, ka Saules sistēmas starpplanētu magnētiskais lauks salieks galaktisko kosmisko staru trajektorijas, cenšoties samazināt to daļiņu intensitāti un "slaucīt" daļiņas ar enerģiju, kas ir mazāka par 400 MeV / nukleonu no Saules sistēmas.
Otra ideja ir ievērojami samazināt galaktiskā starojuma radīto starojuma devu, izmantojot drošu kuģa aizsardzību, un kuģa struktūrā nodrošināt īpašu nodalījumu-pajumti ar jaudīgāku aizsardzību no spēcīgām neparedzama saules vēja plūsmām. Jau tiek izstrādāti jauna veida aizsargmateriāli, kas kļūtu efektīvāki nekā pašlaik izmantotais alumīnijs, piemēram, ūdeņradi saturošas plastmasas, piemēram, polietilēns. Ar viņu palīdzību ir iespējams izveidot aizsardzību, kas 7 cm biezumā spēj samazināt radiācijas devu par 30 - 35%. Tiesa, ar to nepietiek, pēc zinātnieku domām, jāpalielina aizsargslāņa biezums. Un, ja tas nedarbojas, tad ievērojami samaziniet lidojuma ilgumu - teiksim, vismaz līdz 100 dienām. Simts dienas skaitlis līdz šim ir tikai intuitīvi pamatots. Bet jebkurā gadījumā jums ir nepieciešams lidot ātrāk.
Trešā ideja: nodrošināt Marsa kosmosa kuģa pilotus ar efektīvām pret radiācijas zālēm, kas varētu ievērojami nostiprināt saites starp DNS olbaltumvielām, samazinot viņu neaizsargātību pret spēcīgu jonu bombardēšanu.
Ceturtā ideja: radīt mākslīgo magnētisko lauku ap kosmosa kuģi, līdzīgu zemes magnētiskajam laukam. Ir supravadoša toroidāla magnēta projekts, kura iekšpusē un ārpusē lauks tuvojas nullei, lai nesabojātu astronautu veselību. Šāda magnēta jaudīgajam laukam vajadzētu novirzīt lielu daļu kosmisko protonu un kodolu no kosmosa kuģa un 3 - 4 reizes samazināt radiācijas devu ekspedīcijas laikā uz Marsu. Šāda magnēta prototips jau ir izveidots, un to izmantos eksperimentā, lai pētītu kosmiskos starus uz Starptautiskās kosmosa stacijas.
Tomēr, kamēr Marsa brigādes aizsardzības idejas nav atradušas savu iemiesojumu, radiobiologi saka, ka ir tikai viena izeja: veikt detalizētus radiobioloģiskus pētījumus zemes apstākļos ar smagajiem jonu paātrinātājiem, kas zemes apstākļos ļaus simulēt no galaktikas dziļumiem izplūstošo lielo enerģiju smago kodolu kaitīgo iedarbību. Starp šādiem unikāliem paātrinātājiem ir JINR Augstas enerģijas fizikas laboratorijas Nuclotron un uz tā bāzes izveidojamais NICA sadursmju komplekss. Zinātnieki liek lielas cerības uz šo iekārtu iespējām.
Un, ja mēs steidzamies lidot uz Marsu, tad ir pienācis laiks būvēt ātrākus kosmosa kuģus, vai arī sapņus par pilotētiem lidojumiem pagaidām jāatstāj dziļā kosmosā. Ļaujiet robotiem pagaidām ceļot.