Екип от изследователи от Медицинския център на Университета в Рочестър (URMC) в Ню Йорк обяви резултатите от своите изследвания. Дългогодишните астронавти в космоса, например, по време на полет до Марс, могат да доведат до здравословни проблеми поради галактическата радиация. По-специално, до дегенерация на мозъка и евентуално дори началото на болестта на Алцхаймер.
По-рано, през 2012 г., подобни заключения бяха докладвани от руски учени. Както Наталия Теряева пише във вестник „Площад Мира“, „ако летите на марсианска експедиция със съвременен космически кораб, полетът ще отнеме поне 500 дни. През този период на космическата мисия здравето на астронавтите може да бъде безвъзвратно загубено.
Това се доказва от резултатите от проучвания на руски радиобиолози и физиолози, които бяха обсъдени в Съвместния институт за ядрени изследвания (ОИЯИ) на гостуваща среща на Бюрото на Департамента по физиология и фундаментална медицина на Руската академия на науките.
Учените виждат най-голямата опасност в галактическата радиация: тя може да лиши човек от зрение и разум, без които няма да бъде възможно да достигне целта или да се върне у дома.
Изявленията на изследователите за опасността от тежки йони за организма на астронавтите не са спекулативни, те се основават на данните от ускорителни експерименти с животни, проведени в Лабораторията по радиационна биология на Съвместния институт за ядрени изследвания (LRB JINR) в сътрудничество с Института по биомедицински проблеми на Руската академия на науките (IMPB RAS), Института по биохимия RAS (IBCh RAS) и в сътрудничество с биолози от Американската национална космическа агенция (NASA).
Тежките йони са по-страшни от протоните
В дълбокия космос - отвъд магнитното поле на Земята - опасното космическо излъчване, излъчвано от дълбините на галактиката, чака човека.
Промоционално видео:
„Галактическите космически лъчи са потоци от елементарни частици - леки и тежки йони“, обяснява Михаил Панасюк, директор на Изследователския институт по ядрена физика Скобелцин (SINP MSU). - Атомите на космическите лъчи са лишени от електронни обвивки, всъщност те са "голи" ядра. Причината за това е взаимодействието с материята в процеса на пренасянето им във Вселената. Най-често срещаният елемент на космическите лъчи е водородът, а неговите йони са протони. Тези частици се ускоряват от ударни вълни - остатъците от експлозии на свръхнова. Такива звезди експлодират в нашата Галактика не по-често от веднъж на всеки 30 - 50 години.
Потокът от частици на галактическите космически лъчи е постоянен, за разлика от слънчевите космически лъчи, които се генерират на Слънцето или в междупланетната среда по време на слънчеви изблици. Поради това общият принос на слънчевите космически лъчи за дълго време е незначителен. Но по време на слънчеви изригвания (в продължение на няколко часа, дни) потокът от слънчеви космически лъчи може да надвишава потока на галактическите космически лъчи. В допълнение, енергията на частиците от слънчевите космически лъчи, като правило, е по-малка от тази на частиците на галактическите космически лъчи. Има и извънгалактически космически лъчи, влизащи в нашата Галактика от други галактики. Тяхната енергия е по-голяма от тази на галактическите космически лъчи, но потоците са много по-малко. Космическите лъчи имат огромен енергиен обхват: от 106 (1 MeV) до 1021 eV (1 ZeV)."
Енергийно-масовите спектрометри, инсталирани на спътници за космически изследвания, регистрираха състава на космическите лъчи. Оказа се, че малко по-малко от един процент от всички частици на галактическата радиация са тежки йони с енергия от 300 - 500 MeV / нуклон - ядрата на тежки химически елементи. Фракцията от леки и тежки йони на галактическата радиация съдържа по-голямата част от йоните на въглерод, кислород и желязо - от тези стабилни елементи звездните ядра се образуват в резултат на еволюцията на звездите.
Резултатите от измерванията на космическите спътници послужиха като основа за по-нататъшни изчисления на модела, които показаха, че извън магнитосферата на Земята падат около 105 тежки йона на квадратен сантиметър площ годишно и около 160 частици със заряд Z по-голям от 20. Това означава, че по време на полет до Марс в всеки ден точно толкова от тях ще падат върху квадратен сантиметър от телесната повърхност на космонавта.
Космическите тежки йони са толкова енергични, че „пробиват“кожата на съвременен космически кораб в открито космос, като оръдия, бомбардиращи фина коприна. Учени от Лабораторията по радиационна биология на ОИЯИ са открили как това може да навреди на здравето на земните пратеници при дълго пътуване.
До Марс - чрез докосване?
„Успяхме да разберем защо едни и същи дози от различна радиация (тежък йонен поток, неутрон, гама лъчение) предизвикват различни ефекти върху живите клетки“, казва Евгений Красавин, директор на LRB JINR, член-кореспондент на RAS. - Оказа се, че разликите в ефективността на действието на различните лъчения са свързани както с физическите характеристики на лъчението, така и с биологичните свойства на самата жива клетка - способността й да възстановява уврежданията на ДНК след облъчване. В експерименти с ускорители на тежки йони открихме, че най-тежкото увреждане на ДНК възниква под въздействието на тежки йони. Разликата между въздействието на рентгеновите лъчи (лъч от фотони) и лъча от тежки йони може да се представи по следния начин: изстрелването на малък изстрел от пистолет в стена е вреда от рентгеновите лъчи,да стреляш с гюле по една и съща стена е унищожение от един тежък йон. Тежките частици, притежаващи голяма маса, губят значително повече от енергията си за единица изминато разстояние, отколкото техните по-леки колеги. Ето защо, преминавайки през клетката, тежък йон по пътя си поражда голямо разрушение. Когато тежка частица премине през клетъчното ядро, се образуват лезии от "клъстерен тип" с множество прекъсвания на химични връзки в ДНК фрагмента. Те причиняват различни видове тежки хромозомни увреждания в ядрата на клетките. "Когато тежка частица премине през клетъчното ядро, се образува лезия от "клъстерен тип" с множество прекъсвания на химични връзки в ДНК фрагмента. Те причиняват различни видове тежки хромозомни увреждания в ядрата на клетките. "Когато тежка частица премине през клетъчното ядро, се образува лезия от "клъстерен тип" с множество прекъсвания на химични връзки в ДНК фрагмента. Те причиняват различни видове тежки хромозомни увреждания в ядрата на клетките."
Освен това логиката на разсъжденията на учените беше следната. Водородните йони (протони) с енергия от 200-300 MeV / нуклон имат време да изминат 11 см дълъг път във вода преди пълното забавяне. Човешкото тяло е 90% вода. Екстраполирайки този резултат върху живо човешко тяло, получаваме заключението: дори леките йони по пътя си могат да увредят хиляди клетки в нашето тяло. В случай на тежки йони със заряд над 20, трябва да се очаква още по-плачевен резултат за здравето.
Кои човешки органи могат да бъдат повредени от галактически тежки йони най-сериозно и животозастрашаващо?
- Ако мислите за активно размножаващи се - бързо обновяващи се - телесни тъкани, като кръв или кожа, тогава щетите им поради природни свойства бързо ще се възстановят, - обяснява директорът на LRB JINR Евгений Красавин. - Но върху статичните тъкани - централната нервна система, очите, които нямат естествената способност за бързо възстановяване на щетите, постоянният поток от тежки йони ще има наслояващ вреден ефект, причинявайки редовна клетъчна смърт. Но централната нервна система и окото са контролните „чипове“на нашето тяло.
В експерименти върху животни в Дубна група радиобиолози, ръководени от академик на Руската академия на науките Михаил Островски, са изследвали механизмите на ефекта на тежките йони върху структурите на окото - лещата, ретината и роговицата. В ускорителите на JINR мишките и разтворите на кристали (протеини) на тяхната леща бяха облъчени със 100-200 MeV протонни лъчи.
„Кристалната леща на хората и гръбначните животни е на 90% съставена от алфа-, бета- и гама-кристалини“, каза академик Островски в речта си на посещение в Бюрото на Департамента по физическа математика и механика на Руската академия на науките. - Съдържанието на тези протеини в лещата е приблизително еднакво, но те се различават значително по структура и молекулно тегло. Излагането на ултравиолетово лъчение или радиация може да причини агрегация на кристали - появата на непрозрачни влакна в лещата. В резултат на агрегацията се образуват големи разсейващи светлина конгломерати, които водят до помътняване на лещата, тоест до развитие на катаракта. Преминавайки през лещата на окото, дори единични тежки йони след известно време могат да доведат до помътняване.
Върнете се на Земята като Homo sapiens
Най-малко от всички радиобиолози са изследвали вредното въздействие на тежките йони върху централната нервна система. Според експерти на НАСА по време на мисия на Марс от 2 до 13 процента от нервните клетки ще бъдат пресичани от поне един железен йон. И един протон ще лети през ядрото на всяка клетка на тялото на всеки три дни. Следователно съществува сериозна опасност от необратими нарушения на поведенческите реакции на екипажа на кораба. Това застрашава цялостната мисия. Мозъкът е много деликатен инструмент и нарушаването на малки части от него може да доведе до загуба на функционирането на цялото тяло, какъвто е случаят при хора, прекарали инсулт или страдащи от болестта на Алцхаймер.
В космическата радиационна лаборатория на НАСА в Брукхейвън, използвайки лъч от железни йони, ускорени до енергия от 1 GeV / нуклон, се симулира галактическо лъчение върху ускорителя на тежки йони на колагера RHIC в Националната лаборатория в Брукхейвън. Експериментът с плъхове бил наречен „когнитивен тест“. Малка твърда площ беше поставена в кръгъл басейн под тънък слой непрозрачна вода. Лабораторни плъхове - първо здрави, а след това облъчени с лъчи железни йони - бяха пуснати в този басейн и проследяваха колко бързо животните могат да намерят тази зона и да се изкачат върху нея. Здрави плъхове бързо намериха мястото и тръгнаха към него по най-късата пътека. Облъчването с тежки йони драстично промени когнитивните функции (способността за учене) на животните. Месец след облъчването поведението на плъха се промени драстично. Тя зациклидълго време обикаляше басейна, докато почти случайно не успя да почувства твърдата почва под краката си. Мисловните способности на животното бяха сериозно нарушени. Не се наблюдава подобен ефект при облъчване на плъхове с рентгенови лъчи и гама лъчение.
За да се представят възможните последици от облъчването на човешкото тяло с тежки йони, е необходимо да се „изиграе” моделът на космическа опасност върху приматите, смятат изследователите. Независимо от това, вредата, разкрита при гризачите от въздействието на галактическата радиация от тежки йони, е достатъчно убедителна, за да не мислим за това, когато планираме да изпратим хора на дълъг полет до Марс.
Как да избегнем неприятности
От това, което физиците и биолозите знаят днес, следва, че рискът от радиационно увреждане на астронавтите не може да бъде сведен до нула по време на повече от една година пътуване до Марс. До момента съществуват методи за намаляване на този риск под формата на идеи.
Първа идея: да планирате полет до Марс по време на максималния слънчев цикъл. По това време потокът на галактическите космически лъчи ще бъде по-малък поради факта, че междупланетното магнитно поле на Слънчевата система ще огъва траекториите на галактическите космически лъчи, като се стреми да намали интензивността на техните частици и да „помита“частици с енергия по-малка от 400 MeV / нуклон от Слънчевата система.
Втората идея: да се намалят значително дозите на радиация от галактическата радиация посредством надеждна защита на кораба и да се осигури в конструкцията на кораба специално отделение-заслон с по-мощна защита срещу мощни потоци от непредсказуем слънчев вятър. Вече се разработват нови видове защитни материали, които биха станали по-ефективни от използвания в момента алуминий, например пластмаси, съдържащи водород, като полиетилен. С тяхна помощ е възможно да се създаде защита, способна да намали дозата на облъчване с 30 - 35% при дебелина 7 cm. Вярно е, че това не е достатъчно, смятат учените, дебелината на защитния слой трябва да се увеличи. И ако не работи, значи значително намалете продължителността на полета - да речем, поне до 100 дни. Сто дни е цифра досега само интуитивно оправдана. Но във всеки случай трябва да летите по-бързо.
Третата идея: да се снабдят пилотите на марсианския космически кораб с ефективни антирадиационни лекарства, които биха могли значително да укрепят връзките между ДНК протеините, намалявайки тяхната уязвимост при бомбардиране с тежки йони.
Четвъртата идея: да се създаде изкуствено магнитно поле около космическия кораб, подобно на земното магнитно поле. Има проект за свръхпроводящ тороидален магнит, вътре и извън който полето се доближава до нула, за да не навреди на здравето на астронавтите. Мощното поле на такъв магнит трябва да отклони голяма част от космическите протони и ядра от космическия кораб и да намали дозата на радиация 3 - 4 пъти по време на експедицията до Марс. Прототипът на такъв магнит вече е създаден и ще бъде използван в експеримент за изследване на космически лъчи на борда на Международната космическа станция.
И все пак, докато идеите за защита на марсианския екипаж не са намерили своето въплъщение, казват радиобиолозите, има само един изход: да се извършат подробни радиобиологични проучвания в земни условия върху ускорители на тежки йони, които в земни условия ще позволят да се симулира вредният ефект на високоенергийните тежки ядра, излъчващи се от дълбините на галактиката. Сред такива уникални ускорители са Нуклотронът от Физическата лаборатория за висока енергия на ОИЯИ и създаденият на негова основа ускорителен комплекс NICA Учените възлагат големи надежди на възможностите на тези инсталации.
И ако бързаме да летим до Марс, тогава е време или да построим по-бързи космически кораби, или да оставим за момента мечтите за пилотирани полети в дълбок космос. Нека роботите засега пътуват.