Tým vědců z University of Rochester Medical Center (URMC) v New Yorku oznámil výsledky svého výzkumu. Dlouhodobí astronauti ve vesmíru, například během letu na Mars, mohou vést ke zdravotním problémům v důsledku galaktického záření. Zejména na degeneraci mozku a možná i na vznik Alzheimerovy choroby.
Dříve, v roce 2012, byly podobné závěry hlášeny ruskými vědci. Jak píše Natalia Teryaeva v novinách Ploschad Mira, „pokud poletíte na marťanské expedici v moderní kosmické lodi, let bude trvat nejméně 500 dní. Během tohoto období vesmírné mise může dojít k nenávratnému ztrátě zdraví astronautů.
Svědčí o tom výsledky studií ruských radiobiologů a fyziologů, které byly projednány ve Společném ústavu pro jaderný výzkum (JINR) na hostující schůzi předsednictva Ústavu fyziologie a základní medicíny Ruské akademie věd.
Vědci vidí největší nebezpečí v galaktickém záření: může člověka zbavit zraku a rozumu, bez nichž nebude možné dosáhnout cíle nebo se vrátit domů.
Výroky vědců o nebezpečí těžkých iontů pro organismus astronautů nejsou spekulativní, vycházejí z údajů z experimentů urychlovače na zvířatech prováděných v Laboratoři radiační biologie Společného ústavu pro jaderný výzkum (LRB JINR) ve spolupráci s Ústavem biomedicínských problémů Ruské akademie věd (IMPB RAS), Ústavem biochemie RAS (IBCh RAS) a ve spolupráci s biology z Americké národní kosmické agentury (NASA).
Těžké ionty jsou děsivější než protony
V hlubokém vesmíru - za magnetickým polem Země - na člověka číhá nebezpečné kosmické záření vycházející z hlubin galaxie.
Propagační video:
„Galaktické kosmické paprsky jsou proudy elementárních částic - lehkých a těžkých iontů,“vysvětluje Michail Panasyuk, ředitel Skobeltsynského výzkumného ústavu jaderné fyziky (SINP MSU). - Atomy kosmického záření neobsahují elektronové skořápky, ve skutečnosti jsou to „nahá“jádra. Důvodem je interakce s hmotou v procesu jejich přenosu ve vesmíru. Nejběžnějším prvkem kosmického záření je vodík a jeho ionty jsou protony. Tyto částice jsou urychlovány rázovými vlnami - zbytky výbuchů supernov. Takové hvězdy explodují v naší Galaxii ne častěji než jednou za 30 - 50 let.
Tok galaktických částic kosmického záření je konstantní, na rozdíl od slunečních kosmických paprsků, které jsou generovány na Slunci nebo v meziplanetárním médiu během slunečních erupcí. Z tohoto důvodu je celkový příspěvek slunečních kosmických paprsků po dlouhou dobu zanedbatelný. Ale během slunečních erupcí (několik hodin, dní) může tok slunečních kosmických paprsků překročit tok galaktických kosmických paprsků. Kromě toho jsou energie částic slunečních kosmických paprsků zpravidla menší než energie částic galaktických kosmických paprsků. Do naší Galaxie vstupují také extragalaktické kosmické paprsky z jiných galaxií. Jejich energie je větší než energie galaktických kosmických paprsků, ale toky jsou mnohem menší. Kosmické záření má obrovský energetický rozsah: od 106 (1 MeV) do 1021 eV (1 ZeV). “
Energeticko-hmotnostní spektrometry instalované na družicích pro výzkum vesmíru zaznamenávaly složení kosmických paprsků. Ukázalo se, že o něco méně než jedno procento všech částic galaktického záření jsou těžké ionty s energií 300 - 500 MeV / nukleon - jádra těžkých chemických prvků. Frakce lehkých a těžkých iontů galaktického záření obsahuje většinu iontů uhlíku, kyslíku a železa - z těchto stabilních prvků vznikají hvězdná jádra v důsledku vývoje hvězd.
Výsledky měření vesmírných satelitů sloužily jako základ pro další modelové výpočty, které ukázaly, že mimo zemskou magnetosféru padá asi 105 těžkých iontů na centimetr čtvereční plochy ročně a asi 160 částic s nábojem Z větším než 20. To znamená, že během letu na Mars v každý den takové množství z nich spadne na čtvereční centimetr povrchu kosmonautova těla.
Vesmírné těžké ionty jsou tak energické, že „prorazí“kůži moderní kosmické lodi ve vesmíru, jako dělové koule bombardující jemné hedvábí. Vědci z Laboratoře radiační biologie JINR zjistili, jak to může poškodit zdraví poslů Země na dlouhé cestě.
Na Mars - dotykem?
"Podařilo se nám zjistit, proč stejné dávky různého záření (tok těžkých iontů, neutrony, gama záření) způsobují různé účinky na živé buňky," říká Evgeny Krasavin, ředitel LRB JINR, odpovídající člen RAS. - Ukázalo se, že rozdíly v účinnosti působení různého záření jsou spojeny jak s fyzikálními charakteristikami záření, tak s biologickými vlastnostmi samotné živé buňky - její schopností napravit poškození DNA po ozáření. V experimentech s urychlovači těžkých iontů jsme zjistili, že k nejzávažnějšímu poškození DNA dochází pod vlivem těžkých iontů. Rozdíl mezi dopadem rentgenových paprsků (paprsek fotonů) a paprskem těžkých iontů si lze představit takto: vystřelit malý výstřel z pistole do zdi škodí rentgenovým paprskům,vystřelit dělovou kouli na stejnou zeď je destrukce z jednoho těžkého iontu. Těžké částice, které mají velkou hmotnost, ztrácejí mnohem více své energie na jednotku ujeté vzdálenosti než jejich lehčí protějšky. To je důvod, proč při průchodu buňkou těžký iont na cestě způsobí velkou destrukci. Když těžká částice prochází buněčným jádrem, vytvářejí se léze „klastrového typu“s více zlomy chemických vazeb ve fragmentu DNA. Způsobují různé typy závažného chromozomálního poškození v jádrech buněk. Když těžká částice prochází buněčným jádrem, vytvářejí se léze „klastrového typu“s více zlomy chemických vazeb ve fragmentu DNA. Způsobují různé typy závažného poškození chromozomů v jádrech buněk. “Když těžká částice prochází buněčným jádrem, vytvoří se léze „klastrového typu“s více zlomy chemických vazeb ve fragmentu DNA. Způsobují různé typy závažného chromozomálního poškození v jádrech buněk.
Logika uvažování vědců byla dále následující. Vodíkové ionty (protony) s energií 200-300 MeV / nukleon mají čas projít dráhou dlouhou 11 cm ve vodě před úplným zpomalením. Lidské tělo tvoří 90% vody. Extrapolací tohoto výsledku na živé lidské tělo máme závěr: dokonce i lehké ionty na cestě mohou poškodit tisíce buněk v našem těle. V případě těžkých iontů s nábojem vyšším než 20 by se měl očekávat ještě politováníhodnější výsledek pro zdraví.
Které lidské orgány mohou být poškozeny galaktickými těžkými ionty, které jsou nejzávažnější a život ohrožující?
- Pokud uvažujete o aktivním množení - rychle se obnovujících - tělesných tkání, jako je krev nebo kůže, pak se jejich poškození v důsledku přírodních vlastností rychle zotaví, - vysvětluje ředitel LRB JINR Jevgenij Krasavin. - Ale na statické tkáně - centrální nervový systém, oči, které nemají přirozenou schopnost rychle opravit poškození, bude mít neustálý tok těžkých iontů škodlivý účinek na vrstvení, což způsobí pravidelnou smrt buněk. Ale centrální nervový systém a oko jsou řídicí „čipy“našeho těla.
V experimentech na zvířatech v Dubně studovala skupina radiobiologů vedená akademikem Ruské akademie věd Michailem Ostrovským mechanismy účinku těžkých iontů na struktury oka - čočku, sítnici a rohovku. Na urychlovačích JINR byly myši a roztoky krystalinů (proteinů) jejich čočky ozářeny protonovými paprsky 100-200 MeV.
"Krystalická čočka člověka a obratlovců je z 90% složena z alfa-, beta- a gama-krystalinů," uvedl akademik Ostrovský ve svém projevu na hostujícím zasedání předsednictva Ústavu fyzikální matematiky a mechaniky Ruské akademie věd. - Obsah těchto proteinů v čočce je přibližně stejný, ale výrazně se liší strukturou a molekulovou hmotností. Vystavení ultrafialovému záření nebo záření může způsobit agregaci krystalinu - vzhled neprůhledných vláken v čočce. V důsledku agregace se vytvářejí velké konglomeráty rozptylující světlo, které vedou k zakalení čočky, tj. K rozvoji katarakty. Při průchodu oční čočkou mohou i jednotlivé těžké ionty po chvíli způsobit zakalení.
Vraťte se na Zemi jako Homo sapiens
Nejméně ze všech radiobiologů studovali škodlivý účinek těžkých iontů na centrální nervový systém. Podle odborníků NASA bude během mise na Marsu procházet 2 až 13 procent nervových buněk alespoň jedním iontem železa. A jeden proton poletí jádrem každé buňky těla každé tři dny. Proto existuje vážné nebezpečí nevratného porušení behaviorálních reakcí posádky lodi. To ohrožuje celkovou misi. Mozek je velmi choulostivý nástroj a narušení jeho malých částí může vést ke ztrátě funkce celého těla, jako je tomu u lidí po mrtvici nebo u pacientů s Alzheimerovou chorobou.
V laboratoři kosmického záření NASA v Brookhavenu bylo pomocí paprsku železných iontů zrychlených na energii 1 GeV / nukleon simulováno galaktické záření na předrychlovači těžkých iontů urychlovače RHIC v Brookhaven National Laboratory. Pokus na krysách se nazýval „kognitivní test“. Malá pevná plocha byla umístěna do kulatého bazénu pod tenkou vrstvou neprůhledné vody. Laboratorní krysy, nejprve zdravé a poté ozářené paprsky iontů železa, byly vypuštěny do tohoto bazénu a sledovány, jak rychle zvířata mohou najít tuto oblast a vylézt na ni. Zdravé krysy místo rychle našly a kráčely k němu nejkratší cestou. Ozařování těžkými ionty dramaticky změnilo kognitivní funkce (schopnost učení) zvířat. Měsíc po ozáření se chování krysy dramaticky změnilo. Smyčkadlouho kroužila kolem bazénu, dokud se jí téměř náhodou nepodařilo cítit pevnou zem pod nohama. Myšlenkové schopnosti zvířete byly vážně narušeny. Když byly krysy ozařovány rentgenovým a gama zářením, tento účinek nebyl pozorován.
Vědci se domnívají, že aby bylo možné představit možné důsledky ozáření lidského těla těžkými ionty, je nutné „hrát“s modelem kosmického nebezpečí na primátech. Přesto je škoda způsobená účinky galaktického záření z těžkých iontů u hlodavců dostatečně přesvědčivá, aby na ni nemyslela, když plánovala poslat lidi na dlouhý let na Mars.
Jak se vyhnout problémům
Z toho, co dnes fyzici a biologové vědí, vyplývá, že riziko radiačního poškození astronautů nelze snížit na nulu během více než roční cesty na Mars. Metody ke snížení tohoto rizika dosud existují ve formě nápadů.
První myšlenka: naplánovat let na Mars během maximálního slunečního cyklu. V této době bude tok galaktických kosmických paprsků menší kvůli skutečnosti, že meziplanetární magnetické pole sluneční soustavy ohne trajektorie galaktických kosmických paprsků a bude se snažit snížit intenzitu jejich částic a „zametat“částice energiemi menšími než 400 MeV / nukleon ze sluneční soustavy.
Druhá myšlenka: významně snížit dávky záření z galaktického záření pomocí spolehlivé ochrany lodi a poskytnout v konstrukci lodi speciální přístřešek s účinnější ochranou proti silným proudům nepředvídatelného slunečního větru. Již se vyvíjejí nové typy ochranných materiálů, které by se staly účinnějšími než v současnosti používaný hliník, například plasty obsahující vodík, jako je polyethylen. S jejich pomocí je možné vytvořit ochranu schopnou snížit dávku záření o 30 - 35% při tloušťce 7 cm. Je pravda, že to podle vědců nestačí, tloušťka ochranné vrstvy musí být zvětšena. A pokud to nefunguje, pak výrazně zkrátit dobu letu - řekněme alespoň na 100 dní. Sto dní je údaj zatím pouze intuitivně odůvodněný. Ale v každém případě musíte letět rychleji.
Třetí myšlenka: dodat pilotům marťanské kosmické lodi účinné léky proti záření, které by mohly významně posílit vazby mezi proteiny DNA a snížit jejich zranitelnost vůči bombardování těžkými ionty.
Čtvrtý nápad: vytvořit kolem kosmické lodi umělé magnetické pole, podobné magnetickému poli Země. Existuje projekt pro supravodivý toroidní magnet, uvnitř i vně kterého se pole blíží nule, aby nedošlo k poškození zdraví astronautů. Silné pole takového magnetu by mělo odklonit velkou část kosmických protonů a jader z kosmické lodi a během expedice na Mars snížit dávku záření 3 - 4krát. Prototyp takového magnetu již byl vytvořen a bude použit v experimentu ke studiu kosmického záření na palubě Mezinárodní vesmírné stanice.
Přesto, dokud myšlenky na ochranu marťanské posádky nenalezly své ztělesnění, existuje jen jedna cesta ven, říkají radiobiologové: provést podrobné radiobiologické studie v pozemských podmínkách na urychlovačích těžkých iontů, které v pozemských podmínkách umožní simulovat škodlivý účinek vysokoenergetických těžkých jader vycházejících z hlubin galaxie. Mezi takové jedinečné urychlovače patří Nuclotron z Laboratoře fyziky vysokých energií JINR a na jeho základě vznikající komplex urychlovačů NICA. Vědci vkládají velké naděje do schopností těchto instalací.
A pokud spěcháme s letem na Mars, pak je buď čas postavit rychlejší kosmické lodě, nebo zatím nechat sny o letech s posádkou v hlubokém vesmíru. Nechte roboty zatím cestovat.