Ett forskargrupp från University of Rochester Medical Center (URMC) i New York har meddelat resultaten av sin forskning. Långvariga astronauter i rymden, till exempel under en flygning till Mars, kan leda till hälsoproblem på grund av galaktisk strålning. I synnerhet till hjärnans degeneration och eventuellt till och med uppkomsten av Alzheimers sjukdom.
Tidigare, 2012, rapporterades liknande slutsatser av ryska forskare. Som Natalia Teryaeva skriver i tidningen Ploschad Mira,”om du flyger på en marsekspedition i ett modernt rymdfarkost, tar flygningen minst 500 dagar. Under denna period av rymduppdraget kan astronauternas hälsa förloras oåterkalleligt.
Detta bevisas av resultaten från studier av ryska radiobiologer och fysiologer, som diskuterades vid Joint Institute for Nuclear Research (JINR) vid ett besöksmöte för presidiet för Institutionen för fysiologi och grundmedicin vid den ryska vetenskapsakademin.
Forskare ser den största faran i galaktisk strålning: den kan beröva en människas syn och förnuft, utan vilken det inte är möjligt att nå målet eller återvända hem.
Uttalanden från forskare om faran för tunga joner för astronauternas organism är inte spekulativa, de är baserade på data från acceleratorexperiment med djur utförda i laboratoriet för strålningsbiologi från Joint Institute for Nuclear Research (LRB JINR) i samarbete med Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences (IMPB RAS), Institute of Biochemistry. RAS (IBCh RAS) och i samarbete med biologer från American National Space Agency (NASA).
Tunga joner är skrämmande än protoner
I rymden - bortom jordens magnetfält - ligger farlig kosmisk strålning som kommer från galaxens djup och väntar på människan.
Kampanjvideo:
"Galaktiska kosmiska strålar är strömmar av elementära partiklar - lätta och tunga joner", förklarar Mikhail Panasyuk, chef för Skobeltsyn Research Institute of Nuclear Physics (SINP MSU). - Atomer av kosmiska strålar saknar elektroniska skal, i själva verket är de "nakna" kärnor. Anledningen till detta är interaktionen med materia i processen för överföring i universum. Det vanligaste elementet i kosmiska strålar är väte och dess joner är protoner. Dessa partiklar accelereras av chockvågor - resterna av supernovaexplosioner. Sådana stjärnor exploderar i vår Galaxy inte oftare än en gång var 30 - 50 år.
Partikelflödet av galaktiska kosmiska strålar är konstant, till skillnad från solkosmiska strålar, som genereras på solen eller i det interplanetära mediet under solfack. På grund av detta är det totala bidraget från solkosmiska strålar under lång tid obetydligt. Men under solstrålar (i flera timmar, dagar) kan flödet av solkosmiska strålar överstiga flödet av galaktiska kosmiska strålar. Dessutom är energin hos partiklar från solkosmiska strålar som regel mindre än för partiklar av galaktiska kosmiska strålar. Det finns också extragalaktiska kosmiska strålar som kommer in i vår galax från andra galaxer. Deras energi är större än den för galaktiska kosmiska strålar, men flödena är mycket mindre. Kosmiska strålar har ett enormt energiområde: från 106 (1 MeV) till 1021 eV (1 ZeV)."
Energimasspektrometrar installerade på rymdforskningssatelliter registrerade sammansättningen av kosmiska strålar. Det visade sig att lite mindre än en procent av alla partiklar av galaktisk strålning är tunga joner med en energi på 300 - 500 MeV / nukleon - kärnorna till tunga kemiska element. Fraktionen av lätta och tunga joner av galaktisk strålning innehåller de flesta jonerna av kol, syre och järn - av dessa stabila element bildas stjärnkärnor som ett resultat av stjärnornas utveckling.
Resultaten av mätningar av rymdsatelliter fungerade som grund för ytterligare modellberäkningar, som visade att utanför jordens magnetosfär faller cirka 105 tunga joner per kvadratcentimeter area per år och cirka 160 partiklar per dag med en laddning Z större än 20. Detta innebär att under en flygning till Mars i varje dag kommer bara ett sådant antal av dem att falla på en kvadratcentimeter av kosmonautens kroppsyta.
Rymdetunga joner är så energiska att de "genomborrar" huden på en modern rymdfarkost i yttre rymden, som kanonkulor som bombarderar fint silke. Forskare från laboratoriet för strålningsbiologi vid JINR har upptäckt hur detta kan skada hälsan hos jordens budbärare på en lång resa.
Till Mars - genom beröring?
"Vi lyckades ta reda på varför samma doser av olika strålning (tungt jonflöde, neutron, gammastrålning) orsakar olika effekter på levande celler", säger Evgeny Krasavin, chef för LRB JINR, RAS motsvarande medlem. - Det visade sig att skillnaderna i effektiviteten av verkan av olika strålning är förknippade både med de fysiska egenskaperna hos strålningen och med de biologiska egenskaperna hos den levande cellen i sig - dess förmåga att reparera DNA-skador efter bestrålning. I experiment med tunga jonacceleratorer fann vi att den allvarligaste DNA-skadan inträffar under påverkan av tunga joner. Skillnaden mellan inverkan av röntgenstrålar (en stråle av fotoner) och en stråle av tunga joner kan föreställas så här: att skjuta ett litet skott från en pistol in i en vägg är skada av röntgenstrålar,att skjuta en kanonkula på samma vägg är förstörelse från en tung jon. Tunga partiklar, som har en stor massa, förlorar mycket mer av sin energi per avståndsenhet än sina lättare motsvarigheter. Det är därför, som passerar genom cellen, en tung jon på väg ger stor förstörelse. När en tung partikel passerar genom cellkärnan bildas en "kluster-typ" -lesion med flera brytningar av kemiska bindningar i DNA-fragmentet. De orsakar olika typer av allvarliga kromosomskador i cellkärnorna. "När en tung partikel passerar genom cellkärnan bildas en "kluster-typ" -lesion med flera brytningar av kemiska bindningar i DNA-fragmentet. De orsakar olika typer av allvarliga kromosomskador i cellkärnorna. "När en tung partikel passerar genom cellkärnan bildas "kluster-typ" -lesioner med flera brytningar av kemiska bindningar i DNA-fragmentet. De orsakar olika typer av allvarliga kromosomskador i cellkärnorna."
Vidare var logiken med resonemang för forskare följande. Vätejoner (protoner) med en energi på 200-300 MeV / nukleon har tid att köra en 11 cm lång väg i vatten innan fullständig retardation. Människokroppen är 90% vatten. Att extrapolera detta resultat till en levande människokropp får vi slutsatsen: även ljusjoner på väg kan skada tusentals celler i vår kropp. När det gäller tunga joner med en laddning på mer än 20 bör man förvänta sig ett ännu mer beklagligt resultat för hälsan.
Vilka mänskliga organ kan skadas av galaktiska tunga joner allvarligt och livshotande?
- Om du tänker på att aktivt sprida sig - snabbt förnya - kroppsvävnader, som blod eller hud, kommer deras skador på grund av naturliga egenskaper snabbt att återhämta sig, - förklarar direktören för LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Men på statiska vävnader - centrala nervsystemet, ögon, som inte har den naturliga förmågan att snabbt reparera skador, kommer det konstanta flödet av tunga joner att ha en skadlig effekt i skikt och orsaka regelbunden celldöd. Men det centrala nervsystemet och ögat är kontroll "chips" i vår kropp.
I experiment på djur i Dubna studerade en grupp radiobiologer som leds av akademiker från Ryska vetenskapsakademien Mikhail Ostrovsky mekanismerna för effekten av tunga joner på ögonstrukturerna - linsen, näthinnan och hornhinnan. Vid JINR-acceleratorer bestrålades möss och lösningar av kristalliner (proteiner) i deras lins med 100-200 MeV-protonstrålar.
"Den kristallina linsen hos människor och ryggradsdjur består av 90% av alfa-, beta- och gamma-kristalliner", sa akademikern Ostrovsky i sitt tal vid ett besöksmöte vid presidiet för institutionen för fysisk matematik och mekanik vid Ryska vetenskapsakademin. - Innehållet i dessa proteiner i linsen är ungefär detsamma, men de skiljer sig väsentligt i struktur och molekylvikt. Exponering för ultraviolett strålning eller strålning kan orsaka kristallinaggregation - uppkomsten av ogenomskinliga fibrer i linsen. Som ett resultat av aggregering bildas stora ljusspridande konglomerat, vilket leder till grumling av linsen, det vill säga till utvecklingen av grå starr. Passerar genom ögatlinsen, även enstaka tunga joner efter ett tag kan göra att det blir grumligt.
Återgå till jorden som en Homo sapiens
Minst av alla radiobiologer har studerat den skadliga effekten av tunga joner på centrala nervsystemet. Enligt NASA-experter kommer två till 13 procent av nervcellerna att korsas av minst en järnjon under ett Mars-uppdrag. Och en proton kommer att flyga genom kärnan i varje cell i kroppen var tredje dag. Därför finns det en allvarlig risk för irreversibla kränkningar av fartygets besättningens beteendemässiga reaktioner. Detta äventyrar det övergripande uppdraget. Hjärnan är ett mycket känsligt instrument, och störningar av små delar av den kan leda till förlust av hela kroppens funktion, vilket är fallet hos personer som har haft stroke eller hos dem som har Alzheimers sjukdom.
Vid NASA: s rymdstrålningslaboratorium i Brookhaven, med hjälp av en stråle av järnjoner accelererad till en energi av 1 GeV / nukleon, simulerades galaktisk strålning på den tunga jonföracceleratorn för RHIC-kollidern vid Brookhaven National Laboratory. Råttexperimentet kallades "kognitivt test". Ett litet fast område placerades i en rund pool under ett tunt skikt med ogenomskinligt vatten. Laboratorieråttor, först friska och sedan bestrålade med strålar av järnjoner, lanserades i denna pool och övervakade hur snabbt djuren kunde hitta detta område och klättra upp på det. Friska råttor hittade snabbt platsen och gick mot den längs den kortaste vägen. Bestrålning med tunga joner förändrade dramatiskt djurens kognitiva funktioner (inlärningsförmåga). En månad efter bestrålningen förändrades råttans beteende dramatiskt. Hon slingradelänge cirklade hon runt poolen tills hon nästan av misstag kände den fasta marken under fötterna. Djurets tänkande förmåga försämrades allvarligt. Ingen sådan effekt observerades när råttor bestrålades med röntgenstrålar och gammastrålning.
För att representera de möjliga konsekvenserna av bestrålning av människokroppen med tunga joner är det nödvändigt att "spela" modellen för kosmisk fara på primater, tror forskarna. Ändå är skadan som avslöjas hos gnagare från effekterna av galaktisk strålning från tunga joner övertygande nog att inte tänka på det när man planerar att skicka människor på en lång flygning till Mars.
Hur man undviker problem
Av vad fysiker och biologer vet idag följer att risken för strålskador på astronauter inte kan minskas till noll under mer än ett års resa till Mars. Hittills finns det sätt att minska denna risk i form av idéer.
Första idé: att planera en flygning till Mars under den maximala solcykeln. Vid denna tid kommer flödet av galaktiska kosmiska strålar att vara mindre på grund av det faktum att det interplanetära magnetfältet i solsystemet kommer att böja banorna för galaktiska kosmiska strålar och försöker minska intensiteten hos deras partiklar och "svepa" partiklar med energier mindre än 400 MeV / nukleon från solsystemet.
Den andra idén är att avsevärt minska strålningsdosen från galaktisk strålning med hjälp av tillförlitligt skydd av fartyget och att i fartygets struktur ge ett speciellt fackskydd med mer kraftfullt skydd från kraftfulla strömmar av oförutsägbar solvind. Nya typer av skyddsmaterial har redan utvecklats som skulle bli effektivare än det för närvarande använda aluminiumet, till exempel väteinnehållande plast som polyeten. Med deras hjälp är det möjligt att skapa ett skydd som kan minska strålningsdosen med 30-35% vid en tjocklek av 7 cm. Det är sant att detta inte räcker, säger forskarna att skyddsskiktets tjocklek måste ökas. Och om det inte fungerar, minska sedan flygtiden avsevärt - säg åtminstone till 100 dagar. Hundra dagar är en siffra hittills bara intuitivt motiverad. Men i alla fall måste du flyga snabbare.
Den tredje idén: att förse piloterna till Mars-rymdfarkosten med effektiva strålningsmediciner som avsevärt kan stärka banden mellan DNA-proteiner och minska deras sårbarhet för tung jonbombardemang.
Den fjärde idén: att skapa ett artificiellt magnetfält runt rymdfarkosten, liknande jordens magnetfält. Det finns ett projekt av en supraledande toroidmagnet, inom och utanför vilken fältet närmar sig noll, för att inte skada astronauternas hälsa. En sådan magnets kraftfulla fält bör avleda en stor andel kosmiska protoner och kärnor från rymdfarkosten och minska strålningsdosen med 3-4 gånger under expeditionen till Mars. Prototypen för en sådan magnet har redan skapats och kommer att användas i ett experiment för att studera kosmiska strålar ombord på den internationella rymdstationen.
Ändå, tills idéerna att skydda Mars-besättningen inte har hittat sin utföringsform, finns det bara en väg ut, säger radiobiologer: att genomföra detaljerade radiobiologiska studier i markbundna förhållanden på tunga jonacceleratorer, som under markförhållanden kommer att simulera den skadliga effekten av kraftiga tunga kärnor som härrör från galaxens djup. Bland sådana unika acceleratorer är Nuclotron of the Laboratory for High Energy Physics of JINR och NICA collider complex skapas på grundval av det. Forskare sätter stora förhoppningar på kapaciteten hos dessa installationer.
Och om vi har bråttom att flyga till Mars, är det antingen dags att bygga snabbare rymdskepp eller att för närvarande lämna drömmarna om bemannade flygningar i rymden. Låt robotarna resa för nu.