Et team av forskere fra University of Rochester Medical Center (URMC) i New York har kunngjort resultatene av deres forskning. Langsiktige astronauter i rommet, for eksempel under en flytur til Mars, kan føre til helseproblemer på grunn av galaktisk stråling. Spesielt til hjernedegenerasjon, og muligens til og med utbruddet av Alzheimers sykdom.
Tidligere, i 2012, ble lignende funn rapportert av russiske forskere. Som Natalia Teryaeva skriver i avisen Ploschad Mira, “hvis du flyr på en marsekspedisjon i et moderne romfartøy, vil flyet ta minst 500 dager. I løpet av denne perioden av romoppdraget, kan helsen til astronautene være uopprettelig tapt.
Dette bevises av resultatene av studier av russiske radiobiologer og fysiologer, som ble diskutert på Joint Institute for Nuclear Research (JINR) på et besøksmøte i Bureau of the Department of Physiology and Fundamental Medicine of the Russian Academy of Sciences.
Forskere ser den største faren i galaktisk stråling: det kan frata en person syn og fornuft, uten hvilken det ikke vil være mulig å nå målet eller komme hjem.
Uttalelsene fra forskere om faren for tunge ioner for organismen til astronauter er ikke spekulative, de er basert på data fra akseleratoreksperimenter med dyr utført i Laboratory of Radiation Biology of the Joint Institute for Nuclear Research (LRB JINR) i samarbeid med Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences (IMPB RAS), Institute of Biochemistry RAS (IBCh RAS) og i samarbeid med biologer fra American National Space Agency (NASA).
Tunge ioner er skumlere enn protoner
I det dype rommet - utenfor jordens magnetfelt - ligger farlig kosmisk stråling som kommer fra dypet av galaksen og venter på mennesket.
Kampanjevideo:
"Galaktiske kosmiske stråler er strømmer av elementære partikler - lette og tunge ioner," forklarer Mikhail Panasyuk, direktør for Skobeltsyn Research Institute of Nuclear Physics (SINP MSU). - Atomer av kosmiske stråler er blottet for elektroniske skall, faktisk er de "nakne" kjerner. Årsaken til dette er samspillet med materie i prosessen med overføring i universet. Det vanligste elementet i kosmiske stråler er hydrogen, og ionene er protoner. Disse partiklene akselereres av sjokkbølger - restene av supernovaeksplosjoner. Slike stjerner eksploderer i vår galakse ikke oftere enn en gang hvert 30. - 50. år.
Partikkelstrømmen fra galaktiske kosmiske stråler er konstant, i motsetning til kosmiske solstråler, som genereres på solen eller i det interplanetære mediet under solbluss. På grunn av dette er det totale bidraget fra solkosmiske stråler over lang tid ubetydelig. Men under solbluss (i flere timer, dager) kan strømmen av solkosmiske stråler overstige strømmen av galaktiske kosmiske stråler. I tillegg er energiene til partikler fra solkosmiske stråler som regel mindre enn for partikler av galaktiske kosmiske stråler. Det er også ekstragalaktiske kosmiske stråler som kommer inn i galaksen vår fra andre galakser. Deres energi er større enn den for galaktiske kosmiske stråler, men strømningene er mye mindre. Kosmiske stråler har et enormt energiområde: fra 106 (1 MeV) til 1021 eV (1 ZeV)."
Energimassespektrometre installert på romforskningssatellitter registrerte sammensetningen av kosmiske stråler. Det viste seg at litt mindre enn en prosent av alle partikler av galaktisk stråling er tunge ioner med en energi på 300 - 500 MeV / nukleon - kjernene til tunge kjemiske elementer. Fraksjonen av lette og tunge ioner av galaktisk stråling inneholder de fleste ionene av karbon, oksygen og jern - av disse stabile elementene dannes stjernekjerner som et resultat av stjernens utvikling.
Resultatene av målinger av romsatellitter tjente som grunnlag for videre modellberegninger, som viste at utenfor jordens magnetosfære faller rundt 105 tunge ioner per kvadratcentimeter areal per år, og omtrent 160 partikler med en ladning Z større enn 20. Dette betyr at under en flytur til Mars i hver dag vil bare et slikt antall av dem falle per kvadratcentimeter av kosmonautens kroppsoverflate.
Romtunge ioner er så energiske at de "gjennomborer" huden på et moderne romfartøy i verdensrommet, som kanonkuler som bombarderer fin silke. Forskere fra JINR-laboratoriet for strålingsbiologi har funnet ut hvordan dette kan skade helsen til jordens budbringere på en lang reise.
Til Mars - ved berøring?
"Vi klarte å finne ut hvorfor de samme dosene med forskjellig stråling (tung ionefluks, nøytron, gammastråling) forårsaker forskjellige effekter på levende celler," sier Evgeny Krasavin, direktør for LRB JINR, RAS korresponderende medlem. - Det viste seg at forskjellene i effektiviteten av virkningen av forskjellig stråling er knyttet både til de fysiske egenskapene til strålingen, og til de biologiske egenskapene til selve den levende cellen - dens evne til å reparere DNA-skade etter bestråling. I eksperimenter med tunge ioneakseleratorer fant vi at den alvorligste DNA-skaden oppstår under påvirkning av tunge ioner. Forskjellen mellom innvirkningen av røntgenstråler (en stråle av fotoner) og en stråle av tunge ioner kan forestilles slik: å skyte et lite skudd fra en pistol til en vegg er skade fra røntgenstråler,å skyte en kanonkule mot samme vegg er ødeleggelse fra en tung ion. Tunge partikler, som har en stor masse, mister mye mer av energien per avstandsenhet enn de lettere kolleger. Det er derfor at et tungt ion på vei produserer stor ødeleggelse gjennom cellen. Når en tung partikkel passerer gjennom cellekjernen, dannes en "klyngetype" lesjon med flere brudd på kjemiske bindinger i DNA-fragmentet. De forårsaker forskjellige typer alvorlig kromosomskade i cellens kjerner. "Når en tung partikkel passerer gjennom cellekjernen, dannes en "klyngetype" lesjon med flere brudd på kjemiske bindinger i DNA-fragmentet. De forårsaker forskjellige typer alvorlig kromosomskade i cellens kjerner. "Når en tung partikkel passerer gjennom cellekjernen, dannes "klyngetype" lesjoner med flere brudd på kjemiske bindinger i DNA-fragmentet. De forårsaker forskjellige typer alvorlig kromosomskade i cellens kjerner."
Videre var logikken med å resonnere forskere som følger. Hydrogenioner (protoner) med en energi på 200-300 MeV / nukleon har tid til å løpe gjennom en sti som er 11 cm lang i vann før fullstendig retardasjon. Menneskekroppen er 90% vann. Ved å ekstrapolere dette resultatet til en levende menneskekropp får vi konklusjonen: selv lette ioner på vei kan skade tusenvis av celler i kroppen vår. Når det gjelder tunge ioner med en ladning på mer enn 20, bør man forvente et enda mer beklagelig helseresultat.
Hvilke organer kan bli skadet av galaktiske tunge ioner som er alvorligst og livstruende?
- Hvis du tenker på aktivt spredning - raskt fornyende - kroppsvev, som blod eller hud, vil skaden deres på grunn av naturlige egenskaper raskt komme seg, - forklarer direktøren for LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Men på statiske vev - sentralnervesystemet, øynene, som ikke har den naturlige evnen til å raskt reparere skader, vil den konstante strømmen av tunge ioner ha en skadelig effekt i lag, og forårsake regelmessig celledød. Men sentralnervesystemet og øyet er kontrollflisene i kroppen vår.
I eksperimenter på dyr i Dubna studerte en gruppe radiobiologer ledet av akademiker fra det russiske vitenskapsakademiet Mikhail Ostrovsky mekanismene for effekten av tunge ioner på øyets strukturer - linsen, netthinnen og hornhinnen. Ved JINR-akseleratorer ble mus og løsninger av krystalliner (proteiner) av linsen deres bestrålt med 100-200 MeV-protonstråler.
"Linsen til øyet til mennesker og virveldyr er 90% sammensatt av alfa-, beta- og gamma-krystalliner," sa akademiker Ostrovsky i sin tale på et besøksmøte i Bureau of the Department of Physical Mathematics and Mechanics ved det russiske vitenskapsakademiet. - Innholdet av disse proteinene i linsen er omtrent det samme, men de varierer betydelig i struktur og molekylvekt. Eksponering for ultrafiolett stråling eller stråling kan forårsake krystallinsk aggregering - utseendet til ugjennomsiktige fibre i linsen. Som et resultat av aggregering dannes store lysspredende konglomerater som fører til uklarhet av linsen, det vil si til utvikling av grå stær. Passerer gjennom linsen i øyet, selv enkelt tunge ioner etter en stund kan føre til at det blir overskyet.
Gå tilbake til jorden som en Homo sapiens
Minst av alle radiobiologer har studert skadevirkningen av tunge ioner på sentralnervesystemet. Ifølge NASA-eksperter vil 2 til 13 prosent av nervecellene under et Mars-oppdrag bli krysset av minst ett jernion. Og en proton vil fly gjennom kjernen i hver celle i kroppen hver tredje dag. Derfor er det en alvorlig fare for irreversible brudd på atferdsreaksjonene til skipets mannskap. Dette bringer det samlede oppdraget i fare. Hjernen er et veldig delikat instrument, og forstyrrelse av små deler av den kan føre til tap av funksjonen til hele kroppen, slik det er tilfelle hos mennesker som har hatt hjerneslag eller hos de som har Alzheimers sykdom.
Ved NASAs romstrålingslaboratorium i Brookhaven, ved hjelp av en jernionstråle som ble akselerert til en energi på 1 GeV / nukleon, ble galaktisk stråling simulert på den tunge ionforakseleratoren til RHIC-kollideren ved Brookhaven National Laboratory. Rotteeksperimentet ble kalt "kognitiv test". Et lite fast område ble plassert i et rundt basseng under et tynt lag med ugjennomsiktig vann. Laboratorierotter, først sunne og deretter bestrålte med jernioner, ble lansert i dette bassenget og overvåket hvor raskt dyrene kunne finne dette området og klatre opp på det. Friske rotter fant raskt stedet og gikk mot det langs den korteste stien. Bestråling med tunge ioner endret dyrenes kognitive funksjoner (læringsevne) dramatisk. En måned etter bestrålingen endret rottenes oppførsel seg dramatisk. Hun sløyferi lang tid sirklet hun rundt bassenget, til hun nesten ved et uhell klarte å kjenne den faste bakken under føttene. Dyrets tenkeevner ble alvorlig svekket. Ingen slik effekt ble observert når rotter ble bestrålt med røntgen og gammastråling.
For å representere de mulige konsekvensene av bestråling av menneskekroppen med tunge ioner, er det nødvendig å "spille" modellen for kosmisk fare på primater, mener forskerne. Likevel er skadene som gnagere har avslørt fra effekten av galaktisk stråling fra tunge ioner, overbevisende nok til ikke å tenke på det når de planlegger å sende folk på en lang flytur til Mars.
Hvordan unngå problemer
Av det fysikere og biologer vet i dag, følger det at risikoen for strålingsskader til astronauter ikke kan reduseres til null i løpet av mer enn ett års reise til Mars. Metoder for å redusere denne risikoen eksisterer så langt i form av ideer.
Første idé: å planlegge en flytur til Mars under den maksimale solsyklusen. På dette tidspunktet vil strømmen av galaktiske kosmiske stråler være mindre på grunn av det faktum at det interplanetære magnetfeltet i solsystemet vil bøye banene til galaktiske kosmiske stråler, og prøver å redusere intensiteten til partiklene og "feie" partikler med energier mindre enn 400 MeV / nukleon fra solsystemet.
Den andre ideen er å redusere strålingsdosen fra galaktisk stråling betydelig ved hjelp av pålitelig beskyttelse av skipet og å gi i skipets struktur et spesielt rom-ly med kraftigere beskyttelse mot kraftige strømmer av uforutsigbar solvind. Nye typer beskyttende materialer er allerede under utvikling som vil bli mer effektive enn det for tiden brukte aluminiumet, for eksempel hydrogenholdig plast som polyetylen. Med deres hjelp er det mulig å skape en beskyttelse som er i stand til å redusere stråledosen med 30-35% ved en tykkelse på 7 cm. Det er sant at dette ikke er nok, sier forskerne at tykkelsen på det beskyttende laget må økes. Og hvis det ikke fungerer, reduser flyvarigheten betydelig - si minst til 100 dager. Hundre dager er en figur så langt bare intuitivt begrunnet. Men i alle fall må du fly raskere.
Den tredje ideen: å forsyne pilotene til Mars-romfartøyet med effektive antistrålingsmedisiner som kan styrke båndene mellom DNA-proteiner betydelig, og redusere deres sårbarhet for tung ionebombardement.
Den fjerde ideen: å lage et kunstig magnetfelt rundt romfartøyet, som ligner på jordens magnetfelt. Det er et prosjekt for en superledende toroidmagnet, innenfor og utenfor som feltet nærmer seg null, for ikke å skade helsen til astronauter. Det kraftige feltet til en slik magnet skal avlede en stor andel kosmiske protoner og kjerner fra romfartøyet, og redusere stråledosen med 3-4 ganger under ekspedisjonen til Mars. Prototypen til en slik magnet er allerede opprettet og vil bli brukt i et eksperiment for å studere kosmiske stråler om bord på den internasjonale romstasjonen.
Inntil ideene om å beskytte Mars-mannskapet ikke har funnet sin utførelse, er det bare en vei ut, sier radiobiologer: å gjennomføre detaljerte radiobiologiske studier i terrestriske forhold på tunge ioneakseleratorer, som under terrestriske forhold vil tillate å simulere den skadelige effekten av tunge kjerne med høy energi som kommer fra galaksens dyp. Blant slike unike akseleratorer er Nuclotron of the Laboratory for High Energy Physics of JINR og NICA collider complex opprettet på grunnlag. Forskere setter store håp om kapasiteten til disse installasjonene.
Og hvis vi har hastverk med å fly til Mars, er det enten på tide å bygge raskere romskip, eller å la drømmene om bemannede flyreiser ligge i det dype rommet foreløpig. La robotene reise for nå.
