Tím vedcov z University of Rochester Medical Center (URMC) v New Yorku zverejnil výsledky svojho výskumu. Dlhodobí kozmonauti vo vesmíre, napríklad počas letu na Mars, môžu viesť k zdravotným problémom v dôsledku galaktického žiarenia. Najmä k degenerácii mozgu a možno aj k vzniku Alzheimerovej choroby.
Predtým, v roku 2012, podobné závery hlásili ruskí vedci. Ako píše Natalia Teryaeva v novinách Ploschad Mira, „ak letíte na marťanskú výpravu v modernej kozmickej lodi, let bude trvať najmenej 500 dní. Počas tohto obdobia vesmírnej misie môže dôjsť k nenávratnému strate zdravia astronautov.
Svedčia o tom výsledky štúdií ruských rádiobiológov a fyziológov, o ktorých sa diskutovalo v Spoločnom ústave pre jadrový výskum (JINR) na hosťujúcom stretnutí Predsedníctva Katedry fyziológie a základnej medicíny Ruskej akadémie vied.
Vedci vidia najväčšie nebezpečenstvo v galaktickom žiarení: môže človeka zbaviť zraku a rozumu, bez ktorých nebude možné dosiahnuť cieľ alebo sa vrátiť domov.
Vyhlásenia výskumníkov o nebezpečenstve ťažkých iónov pre organizmus astronautov nie sú špekulatívne, vychádzajú z údajov z experimentov urýchľovačov na zvieratách uskutočňovaných v Laboratóriu radiačnej biológie Spoločného ústavu pre jadrový výskum (LRB JINR) v spolupráci s Ústavom biomedicínskych problémov Ruskej akadémie vied (IMPB RAS), Ústavom biochémie. RAS (IBCh RAS) a v spolupráci s biológmi z Americkej národnej vesmírnej agentúry (NASA).
Ťažké ióny sú desivejšie ako protóny
V hlbokom vesmíre - za magnetickým poľom Zeme - na človeka čaká nebezpečné kozmické žiarenie vychádzajúce z hlbín galaxie.
Propagačné video:
„Galaktické kozmické lúče sú prúdy elementárnych častíc - ľahkých a ťažkých iónov,“vysvetľuje Michail Panasyuk, riaditeľ Skobeltsynského výskumného ústavu jadrovej fyziky (SINP MSU). - Atómy kozmického žiarenia neobsahujú elektrónové škrupiny, v skutočnosti sú to „nahé“jadrá. Dôvodom je interakcia s hmotou v procese ich prenosu vo vesmíre. Najbežnejším prvkom kozmického žiarenia je vodík a jeho iónmi sú protóny. Tieto častice urýchľujú rázové vlny - pozostatky výbuchov supernov. Takéto hviezdy explodujú v našej Galaxii nie častejšie ako raz za 30 - 50 rokov.
Tok častíc galaktických kozmických lúčov je konštantný, na rozdiel od slnečných kozmických lúčov, ktoré sú generované na Slnku alebo v medziplanetárnom médiu počas slnečných erupcií. Z tohto dôvodu je celkový príspevok slnečných kozmických lúčov po dlhú dobu zanedbateľný. Ale počas slnečných erupcií (niekoľko hodín, dní) môže tok slnečných kozmických lúčov presahovať tok galaktických kozmických lúčov. Okrem toho je energia častíc slnečných kozmických lúčov spravidla menšia ako energia častíc galaktických kozmických lúčov. Do našej Galaxie vstupujú z iných galaxií aj extragalaktické kozmické lúče. Ich energia je väčšia ako energia galaktických kozmických lúčov, ale toky sú oveľa menšie. Kozmické žiarenie má obrovský energetický rozsah: od 106 (1 MeV) do 1021 eV (1 ZeV). “
Energeticko-hmotnostné spektrometre nainštalované na satelitoch vesmírneho výskumu zaznamenávali zloženie kozmických lúčov. Ukázalo sa, že o niečo menej ako jedno percento všetkých častíc galaktického žiarenia sú ťažké ióny s energiou 300 - 500 MeV / nukleón - jadrá ťažkých chemických prvkov. Frakcia ľahkých a ťažkých iónov galaktického žiarenia obsahuje väčšinu iónov uhlíka, kyslíka a železa - z týchto stabilných prvkov vznikajú hviezdne jadrá v dôsledku vývoja hviezd.
Výsledky meraní vesmírnych družíc slúžili ako základ pre ďalšie modelové výpočty, ktoré ukázali, že mimo zemskej magnetosféry padá asi 105 ťažkých iónov na centimeter štvorcový plochy ročne a asi 160 častíc s nábojom Z väčším ako 20. To znamená, že počas letu na Mars v r. každý deň ich počet padne na centimeter štvorcový povrchu tela kozmonauta.
Kozmické ťažké ióny sú také energické, že „prerazia“kožu modernej kozmickej lode na otvorenom priestranstve, ako delové gule bombardujúce jemný hodváb. Vedci z Laboratória radiačnej biológie JINR zistili, ako to môže poškodiť zdravie poslov Zeme na dlhej ceste.
Na Mars - dotykom?
„Podarilo sa nám zistiť, prečo rovnaké dávky rôzneho žiarenia (tok ťažkých iónov, neutrón, gama žiarenie) spôsobujú rôzne účinky na živé bunky,“hovorí Evgeny Krasavin, riaditeľ LRB JINR, zodpovedajúci člen RAS. - Ukázalo sa, že rozdiely v účinnosti pôsobenia rôzneho žiarenia súvisia tak s fyzikálnymi vlastnosťami žiarenia, ako aj s biologickými vlastnosťami samotnej živej bunky - jej schopnosťou napraviť poškodenie DNA po ožiarení. Pri experimentoch s urýchľovačmi ťažkých iónov sme zistili, že najvážnejšie poškodenie DNA nastáva pod vplyvom ťažkých iónov. Rozdiel medzi dopadom röntgenových lúčov (lúč fotónov) a lúčov ťažkých iónov si môžeme predstaviť takto: vystreliť malý výstrel z pištole do steny škodí röntgenovým lúčom,vystreliť delovú guľu na rovnakú stenu je zničenie z jedného ťažkého iónu. Ťažké častice, ktoré majú veľkú hmotnosť, strácajú oveľa viac svojej energie na jednotku prejdenej vzdialenosti ako ich ľahší kolegovia. Preto pri prechode bunkou ťažký ión na svojej ceste spôsobí veľkú deštrukciu. Keď ťažká častica prejde bunkovým jadrom, vytvoria sa lézie „klastrového typu“s viacnásobnými zlommi chemických väzieb v fragmente DNA. Spôsobujú rôzne typy závažného chromozomálneho poškodenia v jadrách buniek. ““Keď ťažká častica prejde bunkovým jadrom, vytvoria sa lézie „klastrového typu“s viacnásobnými zlommi chemických väzieb v fragmente DNA. Spôsobujú rôzne typy závažného chromozomálneho poškodenia v jadrách buniek. ““Keď ťažká častica prejde bunkovým jadrom, vytvoria sa lézie „klastrového typu“s viacnásobnými zlommi chemických väzieb v fragmente DNA. Spôsobujú rôzne typy závažného chromozomálneho poškodenia v jadrách buniek. ““
Logika uvažovania vedcov bola ďalej nasledovná. Vodíkové ióny (protóny) s energiou 200 - 300 MeV / nukleón majú čas na to, aby vo vode prešli 11 cm dlhú cestu pred úplným spomalením. Ľudské telo je z 90% tvorené vodou. Extrapoláciou tohto výsledku na živé ľudské telo dostaneme záver: dokonca aj ľahké ióny, ktoré sú na ich ceste, môžu poškodiť tisíce buniek v tele. V prípade ťažkých iónov s nábojom vyšším ako 20 by sa mal očakávať ešte viac poľutovaniahodný výsledok pre zdravie.
Aké ľudské orgány môžu byť poškodené galaktickými ťažkými iónmi, ktoré sú najvážnejšie a život ohrozujúce?
- Ak uvažujete o aktívnom množení - rýchlej obnove - tkanív tela, napríklad krvi alebo kože, potom sa ich poškodenie v dôsledku prírodných vlastností rýchlo obnoví, - vysvetľuje riaditeľ LRB JINR Jevgenij Krasavin. - Ale na statických tkanivách - centrálnom nervovom systéme, očiach, ktoré nemajú prirodzenú schopnosť rýchlo napraviť poškodenie, bude mať nepretržitý tok ťažkých iónov škodlivý vrstviaci účinok, ktorý spôsobí pravidelnú smrť buniek. Ale centrálny nervový systém a oko sú riadiace „čipy“nášho tela.
Pri pokusoch na zvieratách v Dubni skupina rádiobiológov pod vedením akademika Ruskej akadémie vied Michaila Ostrovského študovala mechanizmy účinku ťažkých iónov na štruktúry oka - šošovky, sietnicu a rohovku. Na urýchľovačoch JINR boli myši a roztoky kryštalínov (proteínov) ich šošoviek ožiarené protónovými lúčmi 100 - 200 MeV.
„Kryštalická šošovka ľudí a stavovcov je z 90% zložená z alfa-, beta- a gama-kryštalínov,“uviedol akademik Ostrovskij vo svojom prejave na hosťujúcom stretnutí Predsedníctva Katedry fyzikálnej matematiky a mechaniky Ruskej akadémie vied. - Obsah týchto proteínov v šošovke je približne rovnaký, líšia sa však výrazne štruktúrou a molekulovou hmotnosťou. Vystavenie ultrafialovému žiareniu alebo žiareniu môže spôsobiť agregáciu kryštalínu - vzhľad nepriehľadných vlákien v šošovke. V dôsledku agregácie sa vytvárajú veľké konglomeráty rozptyľujúce svetlo, ktoré vedú k zakaleniu šošovky, to znamená k rozvoju šedého zákalu. Po prechode šošovkou oka môžu dokonca aj jednotlivé ťažké ióny po chvíli spôsobiť jeho zakalenie.
Vráťte sa na Zem ako Homo sapiens
Najmenej zo všetkých rádiobiológov študovali škodlivý účinok ťažkých iónov na centrálny nervový systém. Podľa expertov NASA bude počas misie na Marse prechádzať 2 až 13 percent nervových buniek najmenej jedným iónom železa. A jeden protón poletí jadrom každej bunky tela každé tri dni. Preto existuje vážne nebezpečenstvo nezvratného porušenia reakcií na správanie posádky lode. To ohrozuje celkovú misiu. Mozog je veľmi chúlostivý nástroj a narušenie jeho malých častí môže viesť k strate fungovania celého tela, ako je to u ľudí po mozgovej príhode alebo u ľudí s Alzheimerovou chorobou.
V laboratóriu kozmického žiarenia NASA v Brookhavene sa pomocou lúča železných iónov zrýchlených na energiu 1 GeV / nukleón simulovalo galaktické žiarenie na predrychľovači ťažkých iónov urýchľovača RHIC v Brookhavskom národnom laboratóriu. Pokus na potkanoch sa nazýval „kognitívny test“. Malá pevná plocha bola umiestnená do okrúhleho bazéna pod tenkú vrstvu nepriehľadnej vody. Laboratórne potkany, ktoré boli najskôr zdravé a potom boli ožiarené lúčmi železných iónov, boli vypustené do tohto bazénu a sledovali, ako rýchlo zvieratá môžu nájsť túto oblasť a vyliezť na ňu. Zdravé potkany miesto rýchlo našli a kráčali k nemu najkratšou cestou. Ožarovanie ťažkými iónmi dramaticky zmenilo kognitívne funkcie (schopnosť učenia sa) zvierat. Mesiac po ožiarení sa správanie potkana dramaticky zmenilo. Zacyklila sadlho krúžila okolo bazéna, až takmer náhodou dokázala zacítiť pevnú zem pod nohami. Myslenie zvieraťa bolo vážne narušené. Keď boli potkany ožarované röntgenovým a gama žiarením, tento účinok nebol pozorovaný.
Vedci sa domnievajú, že aby bolo možné znázorniť možné následky ožarovania ľudského tela ťažkými iónmi, je nevyhnutné „hrať“s modelom kozmického nebezpečenstva na primátoch. Napriek tomu je škoda spôsobená účinkami galaktického žiarenia ťažkých iónov u hlodavcov dostatočne presvedčivá, aby na ňu nemyslela, keď plánuje vyslať ľudí na dlhý let na Mars.
Ako sa vyhnúť problémom
Z toho, čo dnes vedia fyzici a biológovia, vyplýva, že riziko radiačného poškodenia kozmonautov počas viac ako ročnej cesty na Mars sa nedá znížiť na nulu. Metódy na zníženie tohto rizika zatiaľ existujú vo forme nápadov.
Prvý nápad: naplánovať let na Mars počas maximálneho slnečného cyklu. V tejto dobe bude tok galaktických kozmických lúčov menší vďaka tomu, že medziplanetárne magnetické pole slnečnej sústavy ohne trajektórie galaktických kozmických lúčov, pričom sa bude usilovať o zníženie intenzity ich častíc a „zametanie“častíc energiami menšími ako 400 MeV / nukleón zo slnečnej sústavy.
Druhá myšlienka: významne znížiť dávky žiarenia z galaktického žiarenia pomocou spoľahlivej ochrany lode a poskytnúť v dizajne lode špeciálny úkryt s priehradkou so silnejšou ochranou pred silnými prúdmi nepredvídateľného slnečného vetra. Už sa vyvíjajú nové typy ochranných materiálov, ktoré by sa stali účinnejšími ako v súčasnosti používaný hliník, napríklad plasty obsahujúce vodík, ako je polyetylén. S ich pomocou je možné vytvoriť ochranu schopnú znížiť dávku žiarenia o 30 - 35% pri hrúbke 7 cm. Je pravda, že to podľa vedcov nestačí, musí sa zvýšiť hrúbka ochrannej vrstvy. A ak to nefunguje, potom výrazne skráťte dĺžku letu - povedzme minimálne na 100 dní. Sto dní je údaj zatiaľ iba intuitívne odôvodnený. Ale v každom prípade musíte letieť rýchlejšie.
Tretia myšlienka: dodať pilotom marťanskej kozmickej lode účinné lieky proti žiareniu, ktoré by mohli významne posilniť väzby medzi proteínmi DNA a znížiť tak ich zraniteľnosť voči bombardovaniu ťažkými iónmi.
Štvrtá myšlienka: vytvoriť okolo kozmickej lode umelé magnetické pole podobné magnetickému poľu Zeme. Existuje projekt pre supravodivý toroidný magnet, vnútri ktorého aj zvonku sa pole blíži k nule, aby nedošlo k poškodeniu zdravia astronautov. Silné pole takého magnetu by malo odviesť veľkú časť kozmických protónov a jadier z kozmickej lode a počas expedície na Mars by malo znížiť dávku žiarenia 3 - 4 krát. Prototyp takéhoto magnetu už bol vytvorený a bude použitý v experimente na štúdium kozmického žiarenia na palube Medzinárodnej vesmírnej stanice.
Napriek tomu, kým myšlienky na ochranu marťanskej posádky nenašli svoje stelesnenie, existuje iba jedno východisko, povedzme rádiobiológovia: uskutočniť podrobné rádiobiologické štúdie v suchozemských podmienkach na urýchľovačoch ťažkých iónov, ktoré v suchozemských podmienkach umožnia simulovať škodlivý účinok vysokoenergetických ťažkých jadier vychádzajúcich z hlbín galaxie. Medzi také jedinečné urýchľovače patrí Nuclotron z Laboratória pre fyziku vysokých energií JINR a na jeho základe vytvorený komplex urýchľovačov NICA. Vedci vkladajú veľké nádeje do schopnosti týchto zariadení.
A ak sa ponáhľame s letom na Mars, potom je buď čas postaviť rýchlejšie vesmírne lode, alebo sny o letoch s ľudskou posádkou zatiaľ nechať v hlbokom vesmíre. Nechajte robotov zatiaľ cestovať.
