O echipă de cercetători de la Universitatea din Rochester Medical Center (URMC) din New York a anunțat rezultatele cercetărilor lor. Astronauții pe termen lung în spațiu, de exemplu, în timpul unui zbor către Marte, pot duce la probleme de sănătate datorate radiațiilor galactice. În special, la degenerarea creierului și, eventual, chiar la apariția bolii Alzheimer.
Anterior, în 2012, concluzii similare au fost raportate de oamenii de știință ruși. Așa cum scrie Natalia Teryaeva în ziarul Ploschad Mira, „dacă zbori într-o expediție marțiană într-o navă spațială modernă, zborul va dura cel puțin 500 de zile. În această perioadă a misiunii spațiale, sănătatea astronauților poate fi pierdută iremediabil.
Acest lucru este dovedit de rezultatele studiilor efectuate de radiobiologi și fiziologi ruși, care au fost discutate la Institutul Comun de Cercetare Nucleară (JINR) în cadrul unei ședințe de vizită a Biroului Departamentului de Fiziologie și Medicină fundamentală al Academiei de Științe din Rusia.
Oamenii de știință văd cel mai mare pericol în radiațiile galactice: aceasta poate priva o persoană de vedere și rațiune, fără de care nu va fi posibil să atingă ținta sau să se întoarcă acasă.
Declarațiile cercetătorilor despre pericolul ionilor grei pentru organismul astronauților nu sunt speculative, ele se bazează pe datele experimentelor de accelerare cu animale efectuate în Laboratorul de biologie radiațională al Institutului mixt de cercetare nucleară (LRB JINR) în cooperare cu Institutul de probleme biomedicale al Academiei Ruse de Științe (IMPB RAS), Institutul de Biochimie RAS (IBCh RAS) și în colaborare cu biologi de la Agenția Națională Spațială Americană (NASA).
Ionii grei sunt mai înfricoșători decât protonii
În spațiul adânc - dincolo de câmpul magnetic al Pământului - radiația cosmică periculoasă emanată din adâncurile galaxiei stă în așteptare pentru om.
Video promotional:
„Razele cosmice galactice sunt fluxuri de particule elementare - ioni ușori și grei”, explică Mikhail Panasyuk, directorul Institutului de Cercetare de Fizică Nucleară din Skobeltsyn (SINP MSU). - Atomii de raze cosmice sunt lipsiți de cochilii electronice, de fapt, sunt nuclei „goi”. Motivul pentru aceasta este interacțiunea cu materia în procesul de transfer al acestora în Univers. Cel mai comun element al razelor cosmice este hidrogenul, iar ionii săi sunt protoni. Aceste particule sunt accelerate de unde de șoc - rămășițele exploziilor supernova. Astfel de stele explodează în galaxia noastră nu mai des decât o dată la 30 - 50 de ani.
Fluxul particulelor de raze cosmice galactice este constant, spre deosebire de razele cosmice solare, care sunt generate pe Soare sau în mediul interplanetar în timpul erupțiilor solare. Din această cauză, contribuția totală a razelor cosmice solare pe o perioadă lungă de timp este nesemnificativă. Dar în timpul erupțiilor solare (timp de câteva ore, zile) fluxul razelor solare cosmice poate depăși fluxul razelor cosmice galactice. În plus, energiile particulelor de raze cosmice solare, de regulă, sunt mai mici decât cele ale particulelor de raze cosmice galactice. Există, de asemenea, raze cosmice extragalactice care intră în galaxia noastră din alte galaxii. Energia lor este mai mare decât cea a razelor cosmice galactice, dar fluxurile sunt mult mai mici. Razele cosmice au o gamă enormă de energie: de la 106 (1 MeV) la 1021 eV (1 ZeV)."
Spectrometrele de energie-masă instalate pe sateliții de cercetare spațială au înregistrat compoziția razelor cosmice. S-a dovedit că puțin mai puțin de unu la sută din toate particulele de radiație galactică sunt ioni grei cu o energie de 300 - 500 MeV / nucleon - nucleele elementelor chimice grele. Fracțiunea de ioni ușori și grei de radiație galactică conține majoritatea ionilor de carbon, oxigen și fier - dintre aceste elemente stabile, miezurile stelare se formează ca urmare a evoluției stelelor.
Rezultatele măsurătorilor sateliților spațiali au servit ca bază pentru alte calcule ale modelului, care au arătat că în afara magnetosferei Pământului, aproximativ 105 ioni grei cad pe centimetrul pătrat de suprafață pe an și aproximativ 160 de particule cu o încărcare Z mai mare de 20. Acest lucru înseamnă că în timpul unui zbor către Marte în în fiecare zi, un astfel de număr va cădea pe centimetru pătrat din suprafața corpului cosmonautului.
Ionii grei cosmici sunt atât de energici încât „străpung” pielea unei nave spațiale moderne în spațiu deschis, precum ghiulele care bombardează mătase fină. Oamenii de știință ai Laboratorului de Biologie a Radiațiilor din JINR au aflat cum acest lucru poate dăuna sănătății mesagerilor Pământului într-o călătorie lungă.
Pe Marte - prin atingere?
„Am reușit să ne dăm seama de ce aceleași doze de radiații diferite (flux de ioni grei, neutroni, radiații gamma) provoacă efecte diferite asupra celulelor vii”, spune Evgeny Krasavin, Director al LRB JINR, membru corespondent RAS. - S-a dovedit că diferențele în eficacitatea acțiunii diferitelor radiații sunt asociate atât cu caracteristicile fizice ale radiației, cât și cu proprietățile biologice ale celulei vii în sine - capacitatea sa de a repara daunele ADN după iradiere. În experimentele cu acceleratori de ioni grei, am constatat că cele mai grave daune ale ADN-ului se produc sub influența ionilor grei. Diferența dintre impactul razelor X (un fascicul de fotoni) și un fascicul de ioni grei poate fi imaginat astfel: a trage o mică lovitură dintr-o armă într-un perete este un prejudiciu cauzat de razele X,a trage o ghiulea la același perete înseamnă distrugerea de la un ion greu. Particulele grele, care posedă o masă mare, își pierd mult mai multă energie pe unitate de distanță parcursă decât omologii lor mai ușori. De aceea, trecând prin celulă, un ion greu pe drum produce o distrugere mare. Când o particulă grea trece prin nucleul celulei, se formează leziuni „de tip cluster” cu pauze multiple de legături chimice în fragmentul ADN. Acestea provoacă diferite tipuri de leziuni cromozomiale severe în nucleele celulelor. "Când o particulă grea trece prin nucleul celulei, se formează o leziune „de tip cluster” cu pauze multiple de legături chimice în fragmentul ADN. Acestea provoacă diferite tipuri de leziuni cromozomiale severe în nucleele celulelor. "Când o particulă grea trece prin nucleul celulei, se formează o leziune „de tip cluster” cu pauze multiple de legături chimice în fragmentul ADN. Acestea cauzează diferite tipuri de leziuni cromozomiale severe în nucleele celulelor."
Mai mult, logica raționamentului oamenilor de știință a fost următoarea. Ionii de hidrogen (protoni) cu o energie de 200-300 MeV / nucleon au timp să parcurgă o cale lungă de 11 cm în apă înainte de decelerarea completă. Corpul uman este 90% apă. Extrapolând acest rezultat unui corp uman viu, ajungem la concluzia: chiar și ioni ușori pe drumul lor pot deteriora mii de celule din corpul nostru. În cazul ionilor grei cu o încărcare mai mare de 20, ar trebui să se aștepte un rezultat și mai deplorabil pentru sănătate.
Ce organe umane pot fi deteriorate de ionii grei galactici cel mai grav și care pun viața în pericol?
- Dacă vă gândiți la proliferarea activă - reînnoirea rapidă - a țesuturilor corpului, cum ar fi sângele sau pielea, atunci leziunile lor datorate proprietăților naturale se vor recupera rapid - explică directorul LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Dar pe țesuturile statice - sistemul nervos central, ochii, care nu au capacitatea naturală de a repara rapid daunele, fluxul constant de ioni grei va avea un efect nociv stratificat, provocând moartea celulară regulată. Dar sistemul nervos central și ochiul sunt „cipurile” de control ale corpului nostru.
În experimentele pe animale din Dubna, un grup de radiobiologi condus de Academicianul Academiei de Științe din Rusia, Mihail Ostrovsky, a studiat mecanismele efectului ionilor grei asupra structurilor ochiului - lentilă, retină și cornee. La acceleratorii JINR, șoarecii și soluțiile de cristaline (proteine) ale cristalinului lor au fost iradiate cu fascicule de protoni 100-200 MeV.
"Lentila ochiului oamenilor și vertebratelor este compusă în proporție de 90% din cristalinele alfa, beta și gamma", a spus academicianul Ostrovsky în discursul său, într-o ședință de vizită a Biroului Departamentului de Matematică Fizică și Mecanică al Academiei de Științe din Rusia. - Conținutul acestor proteine din lentilă este aproximativ același, dar diferă semnificativ în ceea ce privește structura și greutatea moleculară. Expunerea la radiații ultraviolete sau radiații poate provoca agregarea cristalinei - apariția fibrelor opace în cristalin. Ca urmare a agregării, se formează conglomerate mari de împrăștiere a luminii, care duc la înnorarea lentilei, adică la dezvoltarea cataractei. Trecând prin lentila ochiului, chiar și unii ioni grei după un timp pot face ca acesta să devină tulbure.
Întoarceți-vă pe Pământ ca Homo sapiens
Cel puțin dintre toți radiobiologii au studiat efectul dăunător al ionilor grei asupra sistemului nervos central. Potrivit experților NASA, în timpul unei misiuni pe Marte, de la 2 la 13% din celulele nervoase vor fi traversate de cel puțin un ion de fier. Și un proton va zbura prin nucleul fiecărei celule a corpului la fiecare trei zile. Prin urmare, există pericolul grav de încălcări ireversibile ale reacțiilor comportamentale ale echipajului navei. Acest lucru pune în pericol misiunea generală. Creierul este un instrument foarte delicat, iar întreruperea unor părți mici ale acestuia poate duce la pierderea funcționării întregului corp, așa cum se întâmplă la persoanele care au suferit un accident vascular cerebral sau la cei care au boala Alzheimer.
La Laboratorul NASA de Radiații Spațiale din Brookhaven, folosind un fascicul de ioni de fier accelerați la o energie de 1 GeV / nucleon, radiația galactică a fost simulată pe preacceleratorul de ioni grei al colizorului RHIC de la Laboratorul Național Brookhaven. Experimentul cu șobolan a fost numit „testul cognitiv”. O mică zonă solidă a fost plasată într-un bazin rotund sub un strat subțire de apă opacă. Șobolanii de laborator - mai întâi sănătoși, apoi iradiați cu grinzi de ioni de fier - au fost lansați în această piscină și au monitorizat cât de repede animalele puteau găsi această zonă și urca pe ea. Șobolani sănătoși au găsit rapid site-ul și au mers spre el de-a lungul celei mai scurte cărări. Iradierea cu ioni grei a modificat dramatic funcțiile cognitive (capacitatea de învățare) ale animalelor. La o lună după iradiere, comportamentul șobolanului s-a schimbat dramatic. Ea a făcut o buclăo lungă perioadă de timp a înconjurat piscina, până a reușit aproape din greșeală să simtă pământul solid sub picioarele ei. Abilitățile de gândire ale animalului au fost grav afectate. Nu s-a observat un astfel de efect atunci când șobolanii au fost iradiați cu raze X și radiații gamma.
Pentru a reprezenta posibilele consecințe ale iradierii corpului uman cu ioni grei, este necesar să „jucăm” modelul hazardului cosmic pe primate, cred cercetătorii. Cu toate acestea, răul dezvăluit la rozătoare din efectele radiațiilor galactice de la ioni grei este suficient de convingător pentru a nu se gândi la asta atunci când intenționați să trimiteți oameni într-un zbor lung pe Marte.
Cum să evitați probleme
Din ceea ce știu fizicienii și biologii astăzi, rezultă că riscul de deteriorare a radiațiilor asupra cosmonauților nu poate fi redus la zero pe parcursul mai mult de un an de călătorie pe Marte. Metode de reducere a acestui risc există până acum sub formă de idei.
Prima idee: să planifici un zbor spre Marte în timpul ciclului solar maxim. În acest moment, fluxul razelor cosmice galactice va fi mai mic datorită faptului că câmpul magnetic interplanetar al sistemului solar va îndoi traiectoriile razelor cosmice galactice, urmărind să reducă intensitatea particulelor lor și să „măture” particulele cu energii mai mici de 400 MeV / nucleon din sistemul solar.
A doua idee: reducerea semnificativă a dozelor de radiații provenite de la radiațiile galactice prin intermediul unei protecții fiabile a navei și asigurarea în designul navei a unui compartiment-adăpost special cu protecție mai puternică împotriva fluxurilor puternice de vânt solar imprevizibil. Sunt deja dezvoltate noi tipuri de materiale de protecție care ar deveni mai eficiente decât aluminiul utilizat în prezent, de exemplu, materialele plastice care conțin hidrogen, cum ar fi polietilena. Cu ajutorul lor, este posibil să se creeze o protecție capabilă să reducă doza de radiații cu 30 - 35% la o grosime de 7 cm. Adevărat, acest lucru nu este suficient, spun oamenii de știință, grosimea stratului protector trebuie mărită. Și dacă nu funcționează, reduceți semnificativ durata zborului - să zicem, cel puțin la 100 de zile. O sută de zile este o cifră de până acum justificată intuitiv. Dar, în orice caz, trebuie să zburați mai repede.
A treia idee: furnizarea piloților navei spațiale marțiene cu medicamente anti-radiații eficiente care ar putea întări semnificativ legăturile dintre proteinele ADN, reducând vulnerabilitatea lor la bombardamentul cu ioni grei.
A patra idee: crearea unui câmp magnetic artificial în jurul navei spațiale, similar cu câmpul magnetic al Pământului. Există un proiect pentru un magnet toroidal supraconductor, în interiorul și exteriorul căruia câmpul se apropie de zero, astfel încât să nu afecteze sănătatea astronauților. Câmpul puternic al unui astfel de magnet ar trebui să devieze o proporție mare de protoni și nuclei cosmici din nava spațială și să reducă doza de radiații de 3 - 4 ori în timpul expediției pe Marte. Prototipul unui astfel de magnet a fost deja creat și va fi folosit într-un experiment pentru studierea razelor cosmice la bordul Stației Spațiale Internaționale.
Cu toate acestea, până când ideile de protejare a echipajului marțian nu și-au găsit întruparea, există o singură cale de ieșire, spun radiobiologii: să efectueze studii radiobiologice detaliate în condiții terestre pe acceleratori de ioni grei, care, în condiții terestre, vor simula efectul dăunător al nucleelor grele de mare energie care provin din adâncurile galaxiei. Printre astfel de acceleratoare unice se numără Nuclotronul Laboratorului de fizică a energiei înalte JINR și complexul de coliziune NICA fiind creat pe baza sa. Oamenii de știință își exprimă mari speranțe în ceea ce privește capacitățile acestor instalații.
Și dacă ne grăbim să zburăm spre Marte, atunci este fie momentul să construim nave spațiale mai rapide, fie să lăsăm deocamdată visele zborurilor cu echipaj. Lăsați roboții să călătorească pentru moment.
