New Yorgi Rochesteri ülikooli meditsiinikeskuse (URMC) teadlaste rühm teatas oma uurimistöö tulemustest. Pikaajalised kosmonautid kosmoses, näiteks Marsile lendamise ajal, võivad galaktilise kiirguse tõttu põhjustada terviseprobleeme. Eelkõige aju degeneratsiooni ja võib-olla isegi Alzheimeri tõve tekkeni.
Varem, 2012. aastal, teatasid Venemaa teadlased sarnastest avastustest. Nagu kirjutab Natalia Terjajeva ajalehes Ploshchad Mira, „kui lendate Marsi ekspeditsioonil moodsa kosmoseaparaadiga, võtab lend aega vähemalt 500 päeva. Sel kosmosemissiooni perioodil võib astronautide tervis pöördumatult kaduda.
Seda tõendavad Venemaa radiobioloogide ja füsioloogide uuringute tulemused, mida arutati Ühises Tuumauuringute Instituudis (JINR) Venemaa Teaduste Akadeemia füsioloogia ja fundamentaalse meditsiini osakonna büroo visiidikohtumisel.
Suurimat ohtu näevad teadlased galaktilises kiirguses: see võib inimeselt ilma jätta nägemisvõime ja mõistuse, ilma milleta pole võimalik sihtmärki jõuda ega koju naasta.
Teadlaste väited raskete ioonide ohtlikkuse kohta astronautide organismile ei ole spekulatiivsed, need põhinevad loomade kiirenduskatsete andmetel, mis viidi läbi tuumauuringute ühisinstituudi (LRB JINR) kiirgusbioloogia laboris koostöös Venemaa Teaduste Akadeemia biomeditsiiniliste probleemide instituudiga (IMPB RAS), biokeemia instituudiga. RAS (IBCh RAS) ja koostöös Ameerika Riikliku Kosmoseagentuuri (NASA) bioloogidega.
Rasked ioonid on prootonitest hirmutavamad
Sügavas kosmoses - väljaspool Maa magnetvälja - ootab inimest ootamas galaktika sügavusest tulev ohtlik kosmiline kiirgus.
Reklaamvideo:
"Galaktilised kosmilised kiired on elementaarosakeste voog - kerged ja rasked ioonid," selgitab Skobeltsõni tuumafüüsika uurimisinstituudi (SINP MSU) direktor Mihhail Panasyuk. - Kosmiliste kiirte aatomitel puuduvad elektronkestad, tegelikult on need "paljad" tuumad. Selle põhjuseks on vastastikmõju ainega nende universumis kandumise protsessis. Kosmiliste kiirte levinuim element on vesinik ja selle ioonid on prootonid. Neid osakesi kiirendavad lööklained - supernoova plahvatuste jäänused. Sellised tähed plahvatavad meie galaktikas mitte sagedamini kui üks kord 30–50 aasta jooksul.
Galaktiliste kosmiliste kiirte osakeste voog on konstantne, erinevalt päikesekosmilistest kiirtest, mis tekivad Päikesel või planeetidevahelises keskkonnas päikesepõletuste ajal. Selle tõttu on päikese kosmiliste kiirte kogu panus pika aja jooksul tähtsusetu. Kuid päikesepuhangute ajal (mitu tundi, päeva) võib päikese kosmiliste kiirte voog ületada galaktiliste kosmiliste kiirte voogu. Lisaks on päikese kosmiliste kiirte osakeste energia reeglina väiksem kui galaktiliste kosmiliste kiirte osakeste energia. Samuti on teistest galaktikatest meie Galaktikasse sisenevad ekstragalaktilised kosmilised kiired. Nende energia on suurem kui galaktiliste kosmiliste kiirte oma, kuid vooge on palju vähem. Kosmilistel kiirtel on tohutu energiaulatus: 106 (1 MeV) kuni 1021 eV (1 ZeV)."
Kosmoseuuringute satelliitidele paigaldatud energia-massispektromeetrid registreerisid kosmiliste kiirte koostist. Selgus, et veidi vähem kui üks protsent kõigist galaktilise kiirguse osakestest on rasked ioonid energiaga 300 - 500 MeV / nukleon - raskete keemiliste elementide tuumad. Galaktilise kiirguse kergete ja raskete ioonide fraktsioon sisaldab enamikku süsiniku, hapniku ja raua ioonidest - nendest stabiilsetest elementidest moodustuvad tähesüdamikud tähtede evolutsiooni tulemusena.
Kosmosesatelliitide mõõtmistulemused olid aluseks edasistele mudeli arvutustele, mis näitasid, et väljaspool Maa magnetosfääri langeb pindala ruutsentimeetri kohta aastas umbes 105 rasket iooni ja umbes 160 osakest, mille laeng Z on suurem kui 20. See tähendab, et Marsile lennates iga päev langeb just selline arv neid kosmonaudi kehapinna ruutsentimeetrile.
Kosmoserasked ioonid on nii energilised, et nad "läbistavad" maailmaruumis moodsa kosmoseaparaadi nahka nagu peene siidi pommitavad kahurikuulid. JINRi kiirgusbioloogia laboratooriumi teadlased on välja selgitanud, kuidas see võib pikal teekonnal kahjustada Maa saadikute tervist.
Marsile - puudutades?
"Meil õnnestus välja mõelda, miks erinevad kiirguse (raske ioonivoog, neutron, gammakiirgus) samad annused elavatele rakkudele erinevat mõju avaldavad," ütleb RASi korrespondentliikme LRB JINRi direktor Evgeny Krasavin. - Selgus, et erinevused erinevate kiirguste toime efektiivsuses on seotud nii kiirguse füüsikaliste omaduste kui ka elusraku enda bioloogiliste omadustega - selle võimega pärast kiiritamist parandada DNA kahjustusi. Katsetes raskete ioonkiirenditega leidsime, et kõige raskem DNA kahjustus toimub raskete ioonide mõjul. Erinevust röntgenikiirte (footonite kiir) ja raskete ioonide kiire vahel võib ette kujutada nii: väikese püssist seina tulistamine on röntgenikiirte kahjustus,kahurikuuli tulistamine samale seinale on hävitamine ühest raskest ioonist. Suured massiga rasked osakesed kaotavad läbitud vahemaaühiku kohta palju rohkem energiat kui kergemad analoogid. Sellepärast tekitab rakust läbi minnes raske ioon oma teel suure hävingu. Kui raske osake läbib rakutuuma, moodustuvad DNA-fragmendis keemiliste sidemete mitmekordse purunemisega "kobaratüüpi" kahjustused. Need põhjustavad rakutuumades mitmesuguseid raskeid kromosoomikahjustusi. "Kui raske osake läbib rakutuuma, moodustub DNA-fragmendis keemiliste sidemete mitme katkemisega "kobaratüüpi" kahjustus. Need põhjustavad rakutuumades mitmesuguseid raskeid kromosoomikahjustusi. "Kui raske osake läbib rakutuuma, moodustuvad DNA-fragmendis keemiliste sidemete mitme katkemisega "kobaratüüpi" kahjustused. Need põhjustavad rakutuumades mitmesuguseid raskeid kromosoomikahjustusi."
Lisaks oli teadlaste arutluskäigu loogika järgmine. Vesinikuioonidel (prootonitel), mille energia on 200–300 MeV / nukleon, on aega enne täielikku aeglustumist joosta vees 11 cm pikkune rada. Inimkeha on 90% vett. Selle tulemuse ekstrapoleerimisel elavale inimkehale saame järelduse: isegi nende teel olevad valgusioonid võivad meie kehas kahjustada tuhandeid rakke. Raskete ioonide puhul, mille laeng on üle 20, tuleks oodata veelgi halvemat tervisetulemust.
Milliseid inimese elundeid võivad galaktilised rasked ioonid kõige tõsisemalt ja eluohtlikumalt kahjustada?
- Kui mõelda kehakudede, nagu veri või nahk, aktiivsele paljunemisele - kiiresti uuenemisele -, siis nende looduslikest omadustest tingitud kahjustused taastuvad kiiresti, - selgitab LRB JINR direktor Jevgeni Krasavin. - Kuid staatilistel kudedel - kesknärvisüsteemil, silmadel, millel puudub loomulik võime kahjustusi kiiresti kõrvaldada, on raskete ioonide pideval voolul kihiline kahjulik mõju, mis põhjustab rakkude regulaarset surma. Kuid kesknärvisüsteem ja silm on meie keha kontroll "kiibid".
Loomkatsetes Dubnas uuris Venemaa Teaduste Akadeemia akadeemiku Mihhail Ostrovski juhitud rühm radiobiolooge raskete ioonide mõju mehhanismidele silma struktuuridele - läätsele, võrkkestale ja sarvkestale. JINR-kiirendites kiiritati hiireid ja nende läätse kristalliinide (valkude) lahuseid 100-200 MeV prootonikiirtega.
"Inimeste ja selgroogsete kristallilääts koosneb 90% ulatuses alfa-, beeta- ja gammakristalliinidest," ütles akadeemik Ostrovsky oma kõnes Venemaa Teaduste Akadeemia füüsikalise matemaatika ja mehaanika osakonna büroo visiidil. - Nende valkude sisaldus läätses on ligikaudu sama, kuid need erinevad oluliselt struktuuri ja molekulmassiga. Kokkupuude ultraviolettkiirguse või kiirgusega võib põhjustada kristalliini agregatsiooni - läbipaistmatute kiudude ilmnemist läätses. Liitmise tulemusel moodustuvad suured valgust hajutavad konglomeraadid, mis toovad kaasa läätse hägustumise ehk katarakti tekkimise. Silma läätse läbides võivad isegi üksikud rasked ioonid mõne aja pärast häguseks muutuda.
Naaske Maale Homo sapiensina
Vähemalt kõigist radiobioloogidest on uuritud raskete ioonide kahjulikku mõju kesknärvisüsteemile. NASA ekspertide sõnul läbib Marsi missiooni käigus 2–13 protsenti närvirakkudest vähemalt ühe rauaiooniga. Ja üks prooton lendab iga keharaku tuuma läbi iga kolme päeva tagant. Seetõttu on laeva meeskonna käitumisreaktsioonide pöördumatute rikkumiste tõsine oht. See seab ohtu kogu missiooni. Aju on väga delikaatne instrument ja selle väikeste osade häirimine võib põhjustada kogu keha funktsioneerimise kaotuse, nagu juhtub insuldi saanud või Alzheimeri tõvega inimestel.
Brookhavenis asuvas NASA kosmosekiirguse laboris simuleeriti 1 GeV / nukleoni energiani kiirendatud rauaioonikiirt kasutades galaktilist kiirgust Brookhaveni riikliku labori RHIC-põrkuri raske iooni eelkiirendil. Rottide katset nimetati "kognitiivseks testiks". Väike tahke ala pandi ümmargusse basseini õhukese läbipaistmatu veekihi alla. Laboris olevad rotid, kes olid kõigepealt terved ja seejärel kiiritati rauaioonikiirtega, lasti sellesse basseini ja jälgisid, kui kiiresti loomad selle piirkonna leidsid ja sinna ronisid. Terved rotid leidsid saidi kiiresti üles ja kõndisid selle poole mööda kõige lühemat rada. Raskete ioonidega kiiritamine muutis dramaatiliselt loomade kognitiivseid funktsioone (õppimisvõimet). Kuu aega pärast kiiritamist muutus roti käitumine dramaatiliselt. Ta loopispikka aega tiirutas ta basseini ääres, kuni jõudis peaaegu kogemata tunda tugevat pinnast jalgade all. Looma mõtlemisvõime oli tõsiselt kahjustatud. Rottide kiiritamisel röntgenikiirguse ja gammakiirgusega sellist efekti ei täheldatud.
Inimkeha raskete ioonidega kiiritamise võimalike tagajärgede kajastamiseks on vaja "mängida" primaatidele kosmilise ohu mudelit, usuvad teadlased. Sellest hoolimata on raskete ioonide galaktilise kiirguse mõjul närilistel ilmnenud kahju piisavalt veenev, et mitte mõelda sellele, kui plaanite inimesi Marsile pikale lennule saata.
Kuidas vältida probleeme
Sellest, mida tänapäeval teavad füüsikud ja bioloogid, järeldub, et astronautide kiirguskahjustuste ohtu ei saa kauem kui aasta kestnud Marss-reisi ajal nullini viia. Siiani on meetodid selle riski vähendamiseks ideede kujul.
Esimene idee: planeerida lend Marsile maksimaalse päikesetsükli jooksul. Sel ajal on galaktiliste kosmiliste kiirte voog väiksem tänu sellele, et päikesesüsteemi planeetidevaheline magnetväli painutab galaktiliste kosmiliste kiirte trajektoore, püüdes vähendada nende osakeste intensiivsust ja "pühkides" osakesi, mille energia on väiksem kui 400 MeV / nukleon päikesesüsteemist.
Teine idee: vähendada galaktilise kiirguse kiirgusdoose laeva usaldusväärse kaitse abil ja pakkuda laeva konstruktsioonis spetsiaalset kambrit-varjualust, millel on võimsam kaitse ettearvamatu päikesetuule võimsate voogude eest. Juba töötatakse välja uut tüüpi kaitsematerjale, mis muutuksid efektiivsemaks kui praegu kasutatav alumiinium, näiteks vesinikku sisaldavad plastikud nagu polüetüleen. Nende abiga on võimalik luua kaitse, mis suudaks 7 cm paksusel vähendada kiirgusdoosi 30 - 35%. Tõsi, teadlaste sõnul ei piisa sellest, kaitsekihi paksust tuleb suurendada. Ja kui see ei toimi, siis vähendage oluliselt lennu kestust - ütleme vähemalt 100 päevani. Sada päeva on siiani näitaja ainult intuitiivselt õigustatud. Kuid igal juhul peate lendama kiiremini.
Kolmas idee: varustada Marsi kosmoseaparaadi piloote tõhusate kiirgusevastaste ravimitega, mis võiksid oluliselt tugevdada sidemeid DNA valkude vahel, vähendades nende haavatavust raskete ioonide pommitamise suhtes.
Neljas idee: luua kosmoseaparaadi ümber kunstlik magnetväli, mis sarnaneb Maa magnetväljaga. On olemas ülijuhtiva toroidaalse magneti projekt, mille sees ja väljas läheneb väli nullile, et mitte kahjustada astronautide tervist. Sellise magneti võimas väli peaks suunama kosmoseaparaadilt suure osa kosmilistest prootonitest ja tuumadest ning vähendama Marsi ekspeditsioonil kiirgusdoosi 3 - 4 korda. Sellise magneti prototüüp on juba loodud ja seda kasutatakse katses kosmiliste kiirte uurimiseks rahvusvahelise kosmosejaama pardal.
Seni, kuni Marsi meeskonna kaitsmise ideed pole oma kehastust leidnud, on radiobioloogide sõnul ainult üks väljapääs: viia läbi üksikasjalikke radiobioloogilisi uuringuid maismaatingimustes raskete ioonkiirenditega, mis maapealsetel tingimustel võimaldavad simuleerida galaktika sügavusest pärinevate suure energiaga raskete tuumade kahjulikku mõju. Selliste ainulaadsete kiirendite hulgas on JINRi kõrge energia füüsikalabori Nuclotron ja selle baasil loodav NICA kokkupõrkekompleks. Teadlased panevad suuri lootusi nende installatsioonide võimalustele.
Ja kui meil on kiire Marsile lennata, siis on kas aeg ehitada kiiremaid kosmoselaevu või jätta mehitatud lendude unistused esialgu sügavasse ruumi. Las robotid praegu reisida.
