Ryhmä tutkijoita New Yorkin Rochesterin yliopiston lääketieteellisestä keskuksesta (URMC) on ilmoittanut tutkimuksensa tuloksista. Pitkäkestoiset astronautit avaruudessa, esimerkiksi Marsille lennon aikana, voivat johtaa galaktisen säteilyn aiheuttamiin terveysongelmiin. Erityisesti aivojen rappeutumiseen ja mahdollisesti jopa Alzheimerin taudin puhkeamiseen.
Aiemmin, vuonna 2012, venäläiset tutkijat ilmoittivat vastaavista löydöksistä. Kuten Natalia Teryaeva kirjoittaa Ploschad Mira -lehdessä, jos lennät Marsin tutkimusretkellä modernilla avaruusaluksella, lento kestää vähintään 500 päivää. Tänä avaruusoperaation aikana astronauttien terveys voi menettää peruuttamattomasti.
Tämän todistavat venäläisten radiobiologien ja fysiologien tutkimusten tulokset, joista keskusteltiin yhteisessä ydintutkimuslaitoksessa (JINR) Venäjän tiedeakatemian fysiologian ja peruslääketieteen osaston toimiston vierailukokouksessa.
Tutkijat näkevät suurimman vaaran galaktisessa säteilyssä: se voi viedä ihmiseltä näkö- ja järkkymisvaaran, jota ilman ei ole mahdollista saavuttaa kohdetta tai palata kotiin.
Tutkijoiden lausunnot raskaiden ionien vaarasta astronauttien organismille eivät ole spekulatiivisia, vaan ne perustuvat eläinten kiihdytyskokeisiin, jotka on suoritettu Ydintutkimuslaitoksen (LRB JINR) säteilybiologian laboratoriossa yhteistyössä Venäjän tiedeakatemian biolääketieteellisten ongelmien instituutin (IMPB RAS), Biokemian instituutin kanssa. RAS (IBCh RAS) ja yhteistyössä Yhdysvaltain kansallisen avaruusjärjestön (NASA) biologien kanssa.
Raskaat ionit ovat pelottavampia kuin protonit
Syvässä avaruudessa - maapallon magneettikentän ulkopuolella - vaarallinen kosminen säteily, joka tulee galaksin syvyydestä, odottaa ihmistä.
Mainosvideo:
"Galaktiset kosmiset säteet ovat alkuhiukkasten virtoja - kevyitä ja raskaita ioneja", kertoo Skobeltsynin ydinfysiikan tutkimuslaitoksen (SINP MSU) johtaja Mikhail Panasyuk. - Kosmisten säteiden atomeista puuttuu elektronikuoret, itse asiassa ne ovat "paljaita" ytimiä. Syynä tähän on vuorovaikutus aineen kanssa niiden siirtymisessä maailmankaikkeuteen. Kosmisten säteiden yleisin osa on vety, ja sen ionit ovat protoneja. Näitä hiukkasia kiihdyttävät iskut - supernovaräjähdysten jäänteet. Tällaiset tähdet räjähtävät galaksissamme useammin kuin kerran 30-50 vuoden välein.
Galaktisten kosmisten säteiden hiukkasten virtaus on vakio, toisin kuin aurinkokosmiset säteet, jotka syntyvät Auringossa tai planeettojen välisessä ympäristössä aurinkopalojen aikana. Tämän vuoksi aurinkokosmisten säteiden kokonaisosuus pitkällä aikavälillä on merkityksetön. Mutta auringon soihdutusten aikana (useita tunteja, päiviä) aurinkokosmisten säteiden virta voi ylittää galaktisten kosmisten säteiden virtauksen. Lisäksi aurinkokosmisten säteiden hiukkasten energiat ovat pääsääntöisesti pienempiä kuin galaktisten kosmisten säteiden hiukkasten energiat. Galaksissamme on myös ekstragalaktisia kosmisia säteitä, jotka tulevat muista galakseista. Niiden energia on suurempi kuin galaktisten kosmisten säteiden, mutta virtaukset ovat paljon pienempiä. Kosmisilla säteillä on valtava energia-alue: 106 (1 MeV) - 1021 eV (1 ZeV)."
Avaruussatelliitteihin asennetut energiamassaspektrometrit tallensivat kosmisen säteen koostumuksen. Kävi ilmi, että hieman alle prosentti kaikista galaktisen säteilyn hiukkasista on raskaita ioneja, joiden energia on 300 - 500 MeV / nukleoni - raskaiden kemiallisten alkuaineiden ytimet. Galaktisen säteilyn kevyiden ja raskaiden ionien osuus sisältää suurimman osan hiilen, hapen ja raudan ioneista - näistä vakaista elementeistä tähtiydin muodostuu tähtien evoluution seurauksena.
Avaruussatelliittien mittaustulokset olivat pohjana uusille mallilaskelmille, jotka osoittivat, että maapallon magnetosfäärin ulkopuolella putoaa noin 105 raskasta ionia pinta-alan neliösenttimetriä kohti vuodessa ja noin 160 hiukkasia, joiden varaus Z on yli 20. Tämä tarkoittaa, että Marsille lennon aikana joka päivä juuri sellainen määrä heitä putoaa neliösenttimetriin kosmonautin ruumiinpinnasta.
Avaruusraskaat ionit ovat niin energisiä, että ne "lävistävät" modernin avaruusaluksen ihon ulkoavaruudessa, kuten tykinkuulat pommittavat hienoa silkkiä. JINR: n säteilybiologian laboratorion tutkijat ovat selvittäneet, kuinka tämä voi vahingoittaa maapallon lähettiläiden terveyttä pitkällä matkalla.
Marsille - kosketuksella?
"Onnistuimme selvittämään, miksi samat eri säteilyannokset (raskas ionivirta, neutroni, gammasäteily) aiheuttavat erilaisia vaikutuksia eläviin soluihin", kertoo LRB JINR: n johtaja, RAS: n kirjeenvaihtaja Evgeny Krasavin. - Kävi ilmi, että erot eri säteilyn vaikutuksen tehokkuudessa liittyvät sekä säteilyn fyysisiin ominaisuuksiin että elävän solun biologisiin ominaisuuksiin - sen kykyyn korjata DNA-vauriot säteilytyksen jälkeen. Kokeissa raskailla ionikiihdyttimillä havaitsimme, että vakavin DNA-vaurio tapahtuu raskaiden ionien vaikutuksesta. Ero röntgensäteiden (fotonisäde) ja raskasionisäteen vaikutusten välillä voidaan kuvitella näin: Pienen laukauksen ampuminen aseesta seinään on röntgensäteiltä haittaa,ampua tykinkuula samaan seinään on tuhoa yhdeltä raskaalta ionilta. Raskaat hiukkaset, joilla on suuri massa, menettävät paljon enemmän energiaa kuljettua matkan yksikköä kohti kuin kevyemmät kollegansa. Siksi solun läpi kulkeva raskas ioni tuottaa suurta tuhoa. Kun raskas partikkeli kulkee solun ytimen läpi, muodostuu "klusterityyppisiä" leesioita, joissa DNA-fragmentissa on useita katkoksia kemiallisista sidoksista. Ne aiheuttavat erityyppisiä vakavia kromosomaalisia vaurioita solujen ytimissä. "Kun raskas hiukkanen kulkee solun ytimen läpi, muodostuu "klusterityyppisiä" leesioita, joissa DNA-fragmentissa on useita katkoksia kemiallisista sidoksista. Ne aiheuttavat erityyppisiä vakavia kromosomaalisia vaurioita solujen ytimissä. "Kun raskas partikkeli kulkee solun ytimen läpi, muodostuu "klusterityyppisiä" leesioita, joissa DNA-fragmentissa on useita katkoksia kemiallisista sidoksista. Ne aiheuttavat erityyppisiä vakavia kromosomaalisia vaurioita solujen ytimissä."
Lisäksi tutkijoiden päättelylogiikka oli seuraava. Vetyioneilla (protoneilla), joiden energia on 200-300 MeV / nukleoni, on aikaa ajaa 11 cm pitkä polku vedessä ennen täydellistä hidastumista. Ihmiskehossa on 90% vettä. Ekstrapoloimalla tämä tulos elävään ihmiskehoon saamme johtopäätöksen: jopa kevyet ionit matkallaan voivat vahingoittaa tuhansia soluja kehossamme. Raskaiden ionien, joiden varaus on yli 20, terveydelle pitäisi odottaa vielä valitettavampaa tulosta.
Mitä ihmisen elimiä galaktiset raskaat ionit voivat vahingoittaa vakavimmin ja hengenvaarallisimmin?
- Jos ajattelet kehon kudosten, kuten veren tai ihon, lisääntymistä - nopeasti uusiutumista -, niiden luonnollisista ominaisuuksista johtuvat vahingot palautuvat nopeasti, - kertoo LRB JINR: n johtaja Jevgeni Krasavin. - Mutta staattisissa kudoksissa - keskushermostossa, silmissä, joilla ei ole luonnollista kykyä korjata vaurioita, raskaiden ionien jatkuvalla virtauksella on kerrostava haitallinen vaikutus, joka aiheuttaa säännöllisen solukuoleman. Mutta keskushermosto ja silmä ovat kehomme ohjaus "pelimerkkejä".
Eläinkokeissa Dubnassa ryhmä radiobiologeja, jota johti Venäjän tiedeakatemian akateemikko Mihail Ostrovsky, tutki raskaiden ionien vaikutuksen mekanismeja silmän rakenteisiin - linssiin, verkkokalvoon ja sarveiskalvoon. JINR-kiihdyttimissä hiiriä ja niiden linssin kiteisten (proteiinien) liuoksia säteilytettiin 100-200 MeV: n protonisäteillä.
"Ihmisten ja selkärankaisten kiteinen linssi koostuu 90-prosenttisesti alfa-, beeta- ja gammakristalliineista", akateemikko Ostrovsky sanoi puheessaan Venäjän tiedeakatemian fyysisen matematiikan ja mekaniikan osaston toimiston vierailukokouksessa. - Näiden proteiinien pitoisuus linssissä on suunnilleen sama, mutta niiden rakenne ja molekyylipaino eroavat toisistaan merkittävästi. Altistuminen ultraviolettisäteilylle tai säteilylle voi aiheuttaa kiteisen aggregaation - läpinäkymättömien kuitujen esiintymisen linssissä. Aggregaation seurauksena muodostuu suuria valoa sirottavia konglomeraatteja, jotka johtavat linssin samentumiseen eli kaihien kehittymiseen. Silmän linssin läpi kulkevat edes yksittäiset raskaat ionit saattavat jonkin ajan kuluttua samentua.
Palaa maan päälle Homo sapiensina
Vähintään kaikki radiobiologit ovat tutkineet raskaiden ionien vahingollista vaikutusta keskushermostoon. NASAn asiantuntijoiden mukaan Mars-operaation aikana vähintään yksi rauta-ioni läpäisee 2–13 prosenttia hermosoluista. Ja yksi protoni lentää kehon jokaisen solun ytimen läpi joka kolmas päivä. Siksi on vakava vaara, että aluksen miehistön käyttäytymisreaktiot rikkoutuvat peruuttamattomasti. Tämä vaarantaa koko tehtävän. Aivot ovat erittäin herkkä väline, ja sen pienten osien häiriöt voivat johtaa koko kehon toiminnan menetykseen, kuten aivohalvauksen saaneilla tai Alzheimerin tautia sairastavilla.
Brookhavenin NASA-avaruuslaboratoriossa käytettiin 1 GeV / nukleonin energiaksi kiihdytettyä rauta-ionisuihkua, ja galaktista säteilyä simuloitiin Brookhavenin kansallisen laboratorion RHIC-törmäyskoneen raskasionien esikiihdyttimessä. Rotakoketta kutsuttiin "kognitiiviseksi testiksi". Pieni kiinteä alue sijoitettiin pyöreään altaaseen ohuen läpinäkymättömän vesikerroksen alle. Laboratoriorotit, ensin terveitä ja sitten säteilytettyjä rauta-ionisäteillä, laukaistiin tähän altaaseen ja seurasivat, kuinka nopeasti eläimet löysivät tämän alueen ja nousivat sinne. Terveet rotat löysivät paikan nopeasti ja kävivät sitä kohti lyhintä tietä. Säteily raskailla ioneilla muutti dramaattisesti eläinten kognitiivisia toimintoja (oppimiskykyä). Kuukausi säteilytyksen jälkeen rotan käyttäytyminen muuttui dramaattisesti. Hän silmukoipitkään hän kierteli uima-allasta, kunnes onnistui melkein vahingossa tuntemaan vankan maan jalkojensa alla. Eläimen ajattelukyky heikkeni vakavasti. Kun rotat säteilytettiin röntgen- ja gammasäteilyllä, tätä vaikutusta ei havaittu.
Ihmiskehon raskailla ioneilla tapahtuvan säteilyttämisen mahdollisten seurausten esittämiseksi on välttämätöntä "pelata" kädellisten kosmisen vaaran mallia, tutkijat uskovat. Siitä huolimatta jyrsijöiden paljastama raskaiden ionien galaktisen säteilyn vaikutuksista on riittävän vakuuttava, ettet ajattele sitä suunniteltaessa lähettää ihmisiä pitkälle lennolle Marsille.
Kuinka välttää ongelmia
Fyysikot ja biologit tietävät nykyään, että astronauttien säteilyvaurioiden riskiä ei voida vähentää nollaan yli vuoden Mars-matkan aikana. Menetelmiä tämän riskin vähentämiseksi on toistaiseksi olemassa ideoiden muodossa.
Ensimmäinen idea: suunnitella lento Marsille maksimaalisen aurinkokierron aikana. Tällä hetkellä galaktisten kosmisten säteiden virtaus on pienempi johtuen siitä, että aurinkokunnan planeettojen välinen magneettikenttä taivuttaa galaktisten kosmisten säteiden liikeratoja pyrkien vähentämään niiden hiukkasten voimakkuutta ja "pyyhkimällä" hiukkasia, joiden energia on alle 400 MeV / nukleonia aurinkokunnasta.
Toinen ajatus: vähentää galaktisen säteilyn säteilyannoksia merkittävästi aluksen luotettavan suojan avulla ja tarjota aluksen suunnittelussa erityinen osasto-suoja, joka suojaa tehokkaammin voimakkailta arvaamattomilta aurinkotuulilta. Jo kehitetään uudentyyppisiä suojamateriaaleja, joista tulisi tehokkaampia kuin nykyisin käytetty alumiini, esimerkiksi vetyä sisältävät muovit, kuten polyeteeni. Niiden avulla on mahdollista luoda suoja, joka kykenee vähentämään säteilyannosta 30 - 35% 7 cm: n paksuudessa. Totta, tämä ei riitä, tutkijoiden mukaan suojakerroksen paksuutta on lisättävä. Ja jos se ei toimi, lyhennä lennon kestoa huomattavasti - sanotaan ainakin 100 päivään. Sata päivää on toistaiseksi vain intuitiivisesti perusteltu luku. Mutta joka tapauksessa sinun on lennettävä nopeammin.
Kolmas idea: toimittaa Marsin avaruusaluksen lentäjille tehokkaita säteilyn vastaisia lääkkeitä, jotka voisivat merkittävästi vahvistaa DNA-proteiinien välisiä sidoksia vähentäen niiden alttiutta raskaalle ionipommitukselle.
Neljäs idea: luoda avaruusaluksen ympärille keinotekoinen magneettikenttä, samanlainen kuin maan magneettikenttä. On olemassa projekti suprajohtavasta toroidimagneetista, jonka sisällä ja ulkopuolella kenttä lähestyy nollaa, jotta se ei vahingoita astronauttien terveyttä. Tällaisen magneetin voimakkaan kentän tulisi ohjata suuri osa kosmisista protoneista ja ytimistä avaruusaluksesta ja vähentää säteilyannosta 3-4 kertaa Marsille suuntautuvan retkikunnan aikana. Tällaisen magneetin prototyyppi on jo luotu, ja sitä käytetään kokeessa kosmisten säteiden tutkimiseen kansainvälisellä avaruusasemalla.
Siihen asti, kunnes ajatukset Marsin miehistön suojelemisesta eivät ole löytäneet ruumiillistumistaan, on vain yksi tie, radiobiologien mukaan: suorittaa yksityiskohtaiset radiobiologiset tutkimukset maan olosuhteissa raskailla ionikiihdyttimillä, jotka maasto-olosuhteissa simuloivat galaksin syvyydestä peräisin olevien suurenergisten raskasydinten vahingollista vaikutusta. Tällaisten ainutlaatuisten kiihdyttimien joukossa ovat JINR: n korkean energiafysiikan laboratorion Nuclotron ja sen pohjalta luotava NICA-törmäyskompleksi. Tutkijat kiinnittävät suuria toiveita näiden asennusten ominaisuuksiin.
Ja jos meillä on kiire lentää Marsille, on joko aika rakentaa nopeampi avaruusalus tai jättää miehitettyjen lentojen unelmat toistaiseksi syvälle avaruuteen. Anna robottien matkustaa toistaiseksi.