Zespół naukowców z University of Rochester Medical Center (URMC) w Nowym Jorku ogłosił wyniki swoich badań. Długotrwali astronauci w kosmosie, na przykład podczas lotu na Marsa, mogą prowadzić do problemów zdrowotnych z powodu promieniowania galaktycznego. W szczególności zwyrodnienie mózgu, a może nawet początek choroby Alzheimera.
Wcześniej, w 2012 roku, do podobnych wniosków doszli rosyjscy naukowcy. Jak pisze Natalia Teryaeva w gazecie Ploschad Mira, „jeśli lecisz na marsjańskiej wyprawie nowoczesnym statkiem kosmicznym, lot zajmie co najmniej 500 dni. W tym okresie misji kosmicznej zdrowie astronautów może zostać bezpowrotnie utracone.
Świadczą o tym wyniki badań rosyjskich radiobiologów i fizjologów, o których dyskutowano na spotkaniu wizytacyjnym Biura Wydziału Fizjologii i Medycyny Podstawowej Rosyjskiej Akademii Nauk w Wspólnym Instytucie Badań Jądrowych (JINR).
Naukowcy widzą największe zagrożenie w promieniowaniu galaktycznym: może pozbawić człowieka wzroku i rozumu, bez których nie będzie można dotrzeć do celu ani wrócić do domu.
Wypowiedzi naukowców o niebezpieczeństwie jonów ciężkich dla organizmu astronautów nie mają charakteru spekulacyjnego, opierają się na danych z eksperymentów akceleratorowych na zwierzętach przeprowadzonych w Laboratorium Biologii Radiacyjnej Wspólnego Instytutu Badań Jądrowych (LRB JINR) we współpracy z Instytutem Problemów Biomedycznych Rosyjskiej Akademii Nauk (IMPB RAS), Instytutem Biochemii RAS (IBCh RAS) oraz we współpracy z biologami z Amerykańskiej Narodowej Agencji Kosmicznej (NASA).
Jony ciężkie są bardziej przerażające niż protony
W przestrzeni kosmicznej - poza polem magnetycznym Ziemi - na człowieka czai się niebezpieczne promieniowanie kosmiczne emanujące z głębi galaktyki.
Film promocyjny:
„Galaktyczne promienie kosmiczne to strumienie cząstek elementarnych - lekkich i ciężkich jonów” - wyjaśnia Michaił Panasiuk, dyrektor Instytutu Fizyki Jądrowej im. Skobelcyna (SINP MSU). - Atomy promieni kosmicznych pozbawione są powłok elektronowych, w rzeczywistości są to „nagie” jądra. Powodem tego jest interakcja z materią w procesie ich przenoszenia we Wszechświecie. Najczęstszym pierwiastkiem promieniowania kosmicznego jest wodór, a jego jony to protony. Cząstki te są przyspieszane przez fale uderzeniowe - pozostałości po wybuchach supernowych. Takie gwiazdy eksplodują w naszej Galaktyce nie częściej niż raz na 30 - 50 lat.
Strumień cząstek galaktycznego promieniowania kosmicznego jest stały, w przeciwieństwie do słonecznych promieni kosmicznych, które są generowane na Słońcu lub w ośrodku międzyplanetarnym podczas rozbłysków słonecznych. Z tego powodu całkowity udział słonecznych promieni kosmicznych przez długi czas jest nieznaczny. Ale podczas rozbłysków słonecznych (przez kilka godzin, dni) strumień słonecznych promieni kosmicznych może przekroczyć strumień galaktycznych promieni kosmicznych. Ponadto energie cząstek słonecznych promieni kosmicznych są z reguły mniejsze niż cząstki galaktycznych promieni kosmicznych. Istnieją również pozagalaktyczne promienie kosmiczne docierające do naszej Galaktyki z innych galaktyk. Ich energia jest większa niż galaktycznych promieni kosmicznych, ale strumienie są znacznie mniejsze. Promienie kosmiczne mają ogromny zakres energii: od 106 (1 MeV) do 1021 eV (1 ZeV)”.
Spektrometry masowo-energetyczne zainstalowane na satelitach do badań kosmicznych rejestrowały skład promieni kosmicznych. Okazało się, że nieco mniej niż jeden procent wszystkich cząstek promieniowania galaktycznego to ciężkie jony o energii 300 - 500 MeV / nukleon - jądra ciężkich pierwiastków chemicznych. Frakcja lekkich i ciężkich jonów promieniowania galaktycznego zawiera większość jonów węgla, tlenu i żelaza - z tych stabilnych pierwiastków jądra gwiazd powstają w wyniku ewolucji gwiazd.
Wyniki pomiarów satelitów kosmicznych posłużyły jako podstawa do dalszych obliczeń modelowych, które wykazały, że poza magnetosferą Ziemi spada rocznie około 105 ciężkich jonów na centymetr kwadratowy powierzchni, a około 160 cząstek o ładunku Z większym niż 20. Oznacza to, że podczas lotu na Marsa w każdego dnia taka ich liczba spadnie na centymetr kwadratowy powierzchni ciała kosmonauty.
Jony ciężkie w kosmosie są tak energetyczne, że „przebijają” skórę współczesnego statku kosmicznego w przestrzeni kosmicznej, jak kule armatnie bombardujące cienki jedwab. Naukowcy z Laboratorium Biologii Radiacyjnej JINR odkryli, jak może to zaszkodzić zdrowiu ziemskich posłańców podczas długiej podróży.
Na Marsa - dotykiem?
„Udało nam się ustalić, dlaczego te same dawki różnego promieniowania (strumień ciężkich jonów, neutron, promieniowanie gamma) mają różny wpływ na żywe komórki” - mówi Evgeny Krasavin, dyrektor LRB JINR, członek korespondent RAS. - Okazało się, że różnice w skuteczności działania różnego promieniowania związane są zarówno z fizycznymi właściwościami promieniowania, jak iz biologicznymi właściwościami samej żywej komórki - jej zdolnością do naprawy uszkodzeń DNA po napromieniowaniu. W eksperymentach z akceleratorami ciężkich jonów stwierdziliśmy, że najpoważniejsze uszkodzenia DNA następują pod wpływem ciężkich jonów. Różnicę między uderzeniem promieni rentgenowskich (wiązki fotonów) a wiązką ciężkich jonów można sobie wyobrazić następująco: wystrzelenie małego strzału z pistoletu w ścianę jest szkodą od promieni rentgenowskich,wystrzelenie kuli armatniej w tę samą ścianę to zniszczenie jednego ciężkiego jonu. Ciężkie cząstki, posiadające dużą masę, tracą znacznie więcej energii na jednostkę przebytej odległości niż ich lżejsze odpowiedniki. Dlatego przechodząc przez komórkę ciężki jon na swojej drodze powoduje wielkie zniszczenia. Kiedy ciężka cząstka przechodzi przez jądro komórkowe, powstaje zmiana typu „klaster” z wielokrotnymi przerwaniami wiązań chemicznych w fragmencie DNA. Powodują różnego rodzaju poważne uszkodzenia chromosomów w jądrach komórek”. Kiedy ciężka cząstka przechodzi przez jądro komórkowe, powstaje zmiana typu „klaster” z wielokrotnymi przerwaniami wiązań chemicznych w fragmencie DNA. Powodują różnego rodzaju poważne uszkodzenia chromosomów w jądrach komórek”. Kiedy ciężka cząstka przechodzi przez jądro komórkowe, tworzy się zmiana typu „klaster” z wielokrotnymi przerwaniami wiązań chemicznych we fragmencie DNA. Powodują różnego rodzaju poważne uszkodzenia chromosomów w jądrach komórek”.
Dalej logika rozumowania naukowców była następująca. Jony wodoru (protony) o energii 200-300 MeV / nukleon mają czas na przejście przez ścieżkę o długości 11 cm w wodzie przed całkowitym spowolnieniem. Ciało ludzkie składa się w 90% z wody. Ekstrapolując ten wynik na żywe ludzkie ciało, dochodzimy do wniosku: nawet lekkie jony w drodze mogą uszkodzić tysiące komórek naszego ciała. W przypadku jonów ciężkich z ładunkiem powyżej 20 należy spodziewać się jeszcze bardziej godnego ubolewania wyniku dla zdrowia.
Jakie narządy ludzkie mogą zostać uszkodzone przez ciężkie jony galaktyczne najbardziej i zagrażające życiu?
- Jeśli myślisz o aktywnej proliferacji - szybko odnawiającej się - tkankach organizmu, takich jak krew czy skóra, to ich uszkodzenia spowodowane naturalnymi właściwościami szybko się regenerują - wyjaśnia dyrektor LRB JINR Jewgienij Krasawin. - Ale na statycznych tkankach - ośrodkowym układzie nerwowym, oczach, które nie mają naturalnej zdolności do szybkiego naprawiania uszkodzeń, ciągły przepływ ciężkich jonów będzie miał szkodliwe działanie warstwowe, powodując regularną śmierć komórki. Ale centralny układ nerwowy i oko są „chipami” kontrolnymi naszego ciała.
W eksperymentach na zwierzętach w Dubnej grupa radiobiologów pod kierownictwem akademika Rosyjskiej Akademii Nauk Michaiła Ostrowskiego badała mechanizmy działania ciężkich jonów na struktury oka - soczewkę, siatkówkę, rogówkę. W akceleratorach JINR myszy i roztwory krystalin (białek) ich soczewki napromieniowano wiązkami protonów o energii 100-200 MeV.
„Krystaliczna soczewka ludzi i kręgowców składa się w 90% z alfa-, beta- i gamma-krystalin” - powiedział akademik Ostrovsky w swoim przemówieniu na spotkaniu wizytującym Biura Wydziału Fizyki Matematyki i Mechaniki Rosyjskiej Akademii Nauk. - Zawartość tych białek w soczewce jest w przybliżeniu taka sama, ale różnią się one znacznie strukturą i masą cząsteczkową. Narażenie na promieniowanie ultrafioletowe lub promieniowanie może spowodować agregację krystaliny - pojawienie się nieprzezroczystych włókien w soczewce. W wyniku agregacji powstają duże konglomeraty rozpraszające światło, które prowadzą do zmętnienia soczewki, czyli do rozwoju zaćmy. Przechodząc przez soczewkę oka, nawet pojedyncze ciężkie jony po pewnym czasie mogą spowodować zmętnienie.
Wróć na Ziemię jako Homo sapiens
Najmniej ze wszystkich radiobiologów badało szkodliwy wpływ ciężkich jonów na ośrodkowy układ nerwowy. Według ekspertów NASA podczas misji na Marsa od 2 do 13 procent komórek nerwowych zostanie przeciętych przez co najmniej jeden jon żelaza. Jeden proton będzie przelatywał przez jądro każdej komórki ciała co trzy dni. Dlatego istnieje poważne niebezpieczeństwo nieodwracalnych naruszeń reakcji behawioralnych załogi statku. To zagraża całej misji. Mózg jest bardzo delikatnym instrumentem, a zakłócenie jego niewielkich części może prowadzić do utraty funkcjonowania całego organizmu, tak jak ma to miejsce u osób po udarze czy z chorobą Alzheimera.
W Laboratorium Promieniowania Kosmicznego NASA w Brookhaven, przy użyciu wiązki jonów żelaza przyspieszonej do energii 1 GeV / nukleon, symulowano promieniowanie galaktyczne na pre-akceleratorze ciężkich jonów zderzacza RHIC w Brookhaven National Laboratory. Eksperyment na szczurach nazwano „testem poznawczym”. Mały stały obszar umieszczono w okrągłym basenie pod cienką warstwą nieprzezroczystej wody. Szczury laboratoryjne, najpierw zdrowe, a następnie napromieniowane wiązkami jonów żelaza, zostały wprowadzone do tego basenu i monitorowały, jak szybko zwierzęta mogą znaleźć ten obszar i wspiąć się na niego. Zdrowe szczury szybko odnalazły miejsce i poszły w jego kierunku najkrótszą ścieżką. Napromienianie ciężkimi jonami radykalnie zmieniło funkcje poznawcze (zdolność uczenia się) zwierząt. Miesiąc po napromieniowaniu zachowanie szczura zmieniło się dramatycznie. Zapętliła sięprzez długi czas krążyła wokół basenu, aż prawie przypadkowo zdołała poczuć twardy grunt pod stopami. Zdolności myślowe zwierzęcia były poważnie osłabione. Gdy szczury naświetlano promieniowaniem rentgenowskim i promieniowaniem gamma, tego efektu nie obserwowano.
Zdaniem naukowców, aby przedstawić możliwe konsekwencje napromieniowania organizmu człowieka ciężkimi jonami, konieczne jest „odtworzenie” modelu kosmicznego zagrożenia dla naczelnych. Niemniej jednak szkody ujawnione u gryzoni w wyniku działania promieniowania galaktycznego z ciężkich jonów są wystarczająco przekonujące, aby o tym nie myśleć, planując wysłanie ludzi w długi lot na Marsa.
Jak uniknąć kłopotów
Z tego, co dziś wiedzą fizycy i biolodzy, wynika, że ryzyko uszkodzenia radiacyjnego astronautów nie może zostać zredukowane do zera podczas ponad rocznej podróży na Marsa. Sposoby ograniczania tego ryzyka istnieją do tej pory w postaci pomysłów.
Pierwszy pomysł: zaplanować lot na Marsa podczas maksymalnego cyklu słonecznego. W tym czasie strumień galaktycznych promieni kosmicznych będzie mniejszy ze względu na fakt, że międzyplanetarne pole magnetyczne Układu Słonecznego będzie zakrzywiać trajektorie galaktycznych promieni kosmicznych, dążąc do zmniejszenia intensywności ich cząstek i „zmiatając” z cząstek Układu Słonecznego energią mniejszą niż 400 MeV / nukleon.
Drugim pomysłem jest znaczne zmniejszenie dawki promieniowania z promieniowania galaktycznego za pomocą niezawodnej ochrony statku i zapewnienie w konstrukcji statku specjalnego schronu przedziałowego z silniejszą ochroną przed silnymi strumieniami nieprzewidywalnego wiatru słonecznego. Opracowywane są już nowe rodzaje materiałów ochronnych, które stałyby się bardziej skuteczne niż obecnie stosowane aluminium, na przykład tworzywa sztuczne zawierające wodór, takie jak polietylen. Za ich pomocą można stworzyć ochronę zdolną do zmniejszenia dawki promieniowania o 30 - 35% przy grubości 7 cm. Naukowcy twierdzą, że to prawda, należy zwiększyć grubość warstwy ochronnej. A jeśli to nie zadziała, znacznie skróć czas lotu - powiedzmy co najmniej do 100 dni. Sto dni to jak dotąd liczba uzasadniona tylko intuicyjnie. Ale w każdym razie musisz latać szybciej.
Trzeci pomysł: zaopatrzyć pilotów marsjańskiego statku kosmicznego w skuteczne leki przeciwradiacyjne, które mogłyby znacząco wzmocnić wiązania między białkami DNA, zmniejszając ich podatność na bombardowanie ciężkimi jonami.
Czwarty pomysł: stworzyć sztuczne pole magnetyczne wokół statku kosmicznego, podobne do ziemskiego pola magnetycznego. Istnieje projekt nadprzewodzącego magnesu toroidalnego, którego pole wewnątrz i na zewnątrz zbliża się do zera, aby nie szkodzić zdrowiu astronautów. Silne pole takiego magnesu powinno skierować dużą część kosmicznych protonów i jąder ze statku kosmicznego oraz zmniejszyć dawkę promieniowania o 3 - 4 razy podczas wyprawy na Marsa. Prototyp takiego magnesu został już stworzony i zostanie wykorzystany w eksperymencie do badania promieni kosmicznych na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
Jednak dopóki idee ochrony marsjańskiej załogi nie znalazły swojego urzeczywistnienia, jest tylko jedno wyjście, mówią radiobiolodzy: przeprowadzić szczegółowe badania radiobiologiczne w warunkach ziemskich na akceleratorach ciężkich jonów, które w warunkach ziemskich pozwolą na symulację niszczącego wpływu wysokoenergetycznych ciężkich jąder emanujących z głębi galaktyki. Do takich unikalnych akceleratorów należy Nuklotron Laboratorium Fizyki Wysokich Energii JINR oraz powstający na jego bazie zespół zderzaczy NICA. Naukowcy wiążą wielkie nadzieje z możliwościami tych instalacji.
A jeśli spieszymy się do lotu na Marsa, to albo czas zbudować szybsze statki kosmiczne, albo na razie zostawić marzenia o załogowych lotach w kosmosie. Pozwól robotom na razie podróżować.