Tim istraživača sa Medicinskog centra Sveučilišta Rochester (URMC) u New Yorku objavio je rezultate svog istraživanja. Dugogodišnji astronauti u svemiru, na primjer, tijekom leta do Marsa, mogu dovesti do zdravstvenih problema zbog galaktičkog zračenja. Konkretno, na degeneraciju mozga, a možda čak i na početak Alzheimerove bolesti.
Ranije, 2012. godine, ruski su znanstvenici izvijestili o sličnim nalazima. Kao što Natalia Teryaeva piše u novinama Ploshchad Mira, „ako letite marsovskom ekspedicijom modernom svemirskom letjelicom, let će potrajati najmanje 500 dana. Tijekom ovog razdoblja svemirske misije zdravlje astronauta može se nepovratno izgubiti.
O tome svjedoče rezultati studija ruskih radiobiologa i fiziologa o kojima se raspravljalo u Zajedničkom institutu za nuklearna istraživanja (JINR) na gostujućem sastanku Ureda Odjela za fiziologiju i temeljnu medicinu Ruske akademije znanosti.
Znanstvenici najveću opasnost vide u galaktičkom zračenju: ono može čovjeku oduzeti vid i razum, bez kojih neće biti moguće doći do cilja ili se vratiti kući.
Izjave istraživača o opasnosti teških iona za organizam astronauta nisu spekulativne, temelje se na podacima akceleratorskih pokusa sa životinjama provedenih u Laboratoriju za radijacijsku biologiju Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja (LRB JINR) u suradnji s Institutom za biomedicinske probleme Ruske akademije znanosti (IMPB RAS), Institutom za biokemiju RAS (IBCh RAS) i u suradnji s biolozima iz Američke nacionalne svemirske agencije (NASA).
Teški su joni strašniji od protona
U dubokom svemiru - izvan Zemljinog magnetskog polja - čovjeka čeka opasno kozmičko zračenje koje izvire iz dubina galaksije.
Promotivni video:
"Galaktičke kozmičke zrake tokovi su elementarnih čestica - lakih i teških iona", objašnjava Mihail Panasjuk, direktor Istraživačkog instituta za nuklearnu fiziku Skobeltsyn (SINP MSU). - Atomi kozmičkih zraka lišeni su elektronskih ljuski, zapravo su "gole" jezgre. Razlog tome je interakcija s materijom u procesu njihovog prenošenja u Svemiru. Najčešći element kozmičkih zraka je vodik, a njegovi su ioni protoni. Te čestice ubrzavaju udarni valovi - ostaci eksplozija supernove. Takve zvijezde eksplodiraju u našoj Galaksiji ne češće od jednom u 30 - 50 godina.
Tok galaktičkih čestica kozmičkih zraka konstantan je, za razliku od sunčevih kozmičkih zraka koje se generiraju na Suncu ili u međuplanetarnom mediju tijekom sunčevih bljeskova. Zbog toga je ukupan doprinos sunčevih kozmičkih zraka tijekom dugog vremena beznačajan. Ali tijekom sunčevih bljeskova (nekoliko sati, dana), tok sunčevih kozmičkih zraka može premašiti tok galaktičkih kozmičkih zraka. Uz to, energija čestica sunčevih kozmičkih zraka u pravilu je manja od energije čestica galaktičkih kozmičkih zraka. Postoje i izvangalaktičke kozmičke zrake koje ulaze u našu Galaksiju iz drugih galaksija. Njihova je energija veća od galaktičke kozmičke zrake, ali tokovi su mnogo manji. Kozmičke zrake imaju ogroman raspon energije: od 106 (1 MeV) do 1021 eV (1 ZeV)."
Spektrometri energetske mase instalirani na satelitima svemirskih istraživanja bilježili su sastav kozmičkih zraka. Pokazalo se da su nešto manje od jedan posto svih čestica galaktičkog zračenja teški ioni s energijom od 300 - 500 MeV / nukleon - jezgre teških kemijskih elemenata. Frakcija lakih i teških iona galaktičkog zračenja sadrži većinu iona ugljika, kisika i željeza - od tih stabilnih elemenata zvjezdane jezgre nastaju kao rezultat evolucije zvijezda.
Rezultati mjerenja svemirskih satelita poslužili su kao osnova za daljnje proračune modela, koji su pokazali da izvan Zemljine magnetosfere godišnje padne oko 105 teških iona po kvadratnom centimetru površine, a oko 160 čestica s nabojem Z većim od 20. To znači da je tijekom leta na Mars u svaki dan će upravo takav broj pasti na kvadratni centimetar površine tijela kozmonauta.
Kozmički teški ioni toliko su energični da "probijaju" kožu moderne letjelice u otvorenom svemiru, poput topovskih kugli koje bombardiraju finu svilu. Znanstvenici Laboratorija za radijacijsku biologiju JINR-a otkrili su kako to može naštetiti zdravlju zemaljskih glasnika na dugom putu.
Na Mars - dodirom?
"Uspjeli smo shvatiti zašto iste doze različitog zračenja (tok teških iona, neutron, gama zračenje) uzrokuju različite učinke na žive stanice", kaže Evgeny Krasavin, direktor LRB JINR, dopisni član RAS-a. - Pokazalo se da su razlike u učinkovitosti djelovanja različitih zračenja povezane i s fizičkim karakteristikama zračenja i s biološkim svojstvima same žive stanice - njenom sposobnošću da popravi oštećenja DNA nakon zračenja. U pokusima s ubrzavačima teških iona otkrili smo da se najteža oštećenja DNA događaju pod utjecajem teških iona. Razlika između udara rendgenskih zraka (snopa fotona) i snopa teških iona može se zamisliti ovako: pucanje malog hica iz pištolja u zid šteti rendgenskim zrakama,pucati iz topovske kugle u isti zid je uništenje od jednog teškog iona. Teške čestice, posjedujući veliku masu, gube puno više svoje energije po jedinici prijeđenog puta nego njihove lakše kolegice. Zato, prolazeći kroz stanicu, teški ion na svom putu stvara veliko uništenje. Kad teška čestica prolazi kroz staničnu jezgru, nastaju lezije "klaster tipa" s višestrukim prekidima kemijskih veza u fragmentu DNA. Oni uzrokuju razne vrste teških kromosomskih oštećenja u jezgrama stanica. "Kad teška čestica prolazi kroz staničnu jezgru, nastaje lezija "nakupinskog tipa" s višestrukim prekidima kemijskih veza u fragmentu DNA. Oni uzrokuju razne vrste teških kromosomskih oštećenja u jezgrama stanica. "Kad teška čestica prolazi kroz staničnu jezgru, nastaje lezija "nakupinskog tipa" s višestrukim prekidima kemijskih veza u fragmentu DNA. Oni uzrokuju razne vrste teških kromosomskih oštećenja u jezgrama stanica."
Dalje, logika razmišljanja znanstvenika bila je sljedeća. Vodikovi ioni (protoni) s energijom od 200-300 MeV / nukleon imaju vremena proći kroz put dug 11 cm u vodi prije potpunog usporavanja. Ljudsko tijelo ima 90% vode. Ekstrapolirajući ovaj rezultat na živo ljudsko tijelo, dolazimo do zaključka: čak i lagani ioni na putu mogu oštetiti tisuće stanica u našem tijelu. U slučaju teških iona s nabojem većim od 20, treba očekivati još žalosniji rezultat za zdravlje.
Koje ljudske organe galaktički teški ioni mogu najozbiljnije i najopasnije oštetiti?
- Ako razmišljate o aktivnom razmnožavanju - brzom obnavljanju - tjelesnih tkiva, poput krvi ili kože, tada će se njihova oštećenja zbog prirodnih svojstava brzo oporaviti, - objašnjava direktor LRB JINR Jevgenij Krasavin. - Ali na statička tkiva - središnji živčani sustav, oči, koje nemaju prirodnu sposobnost brzog popravljanja oštećenja, stalni protok teških iona imat će slojeviti štetni učinak, uzrokujući redovitu staničnu smrt. Ali središnji živčani sustav i oko su kontrolni „čipovi“našeg tijela.
U eksperimentima na životinjama u Dubni, skupina radiobiologa pod vodstvom akademika Ruske akademije znanosti Mihaila Ostrovskog proučavala je mehanizme utjecaja teških iona na očne strukture - leću, mrežnicu i rožnicu. Na JINR akceleratorima miševi i otopine kristalina (proteina) njihove leće ozračeni su protonskim snopovima od 100-200 MeV.
"Leća oka ljudi i kralježnjaka 90% se sastoji od alfa-, beta- i gama-kristalina", rekao je akademik Ostrovski u svom govoru na gostujućem sastanku Biroa Odjela za fizičku matematiku i mehaniku Ruske akademije znanosti. - Sadržaj ovih bjelančevina u leći približno je jednak, ali se značajno razlikuju u strukturi i molekularnoj težini. Izlaganje ultraljubičastom zračenju ili zračenju može uzrokovati nakupljanje kristalina - pojavu neprozirnih vlakana u leći. Kao rezultat agregacije nastaju veliki konglomerati koji raspršuju svjetlost, što dovodi do zamućenja leće, odnosno do razvoja mrene. Prolazeći kroz očnu leću, čak i pojedinačni teški ioni nakon nekog vremena mogu uzrokovati da se zamuti.
Povratak na Zemlju kao Homo sapiens
Najmanje od svih radiobiologa proučavalo je štetni učinak teških iona na središnji živčani sustav. Prema NASA-inim stručnjacima, tijekom misije na Mars, od 2 do 13 posto živčanih stanica preći će barem jedan ion željeza. A jedan će proton letjeti kroz jezgru svake stanice tijela svaka tri dana. Stoga postoji ozbiljna opasnost od nepovratnih kršenja reakcija ponašanja brodske posade. To ugrožava cjelokupnu misiju. Mozak je vrlo osjetljiv instrument, a poremećaj njegovih dijelova može dovesti do gubitka funkcioniranja cijelog tijela, kao što je slučaj kod ljudi koji su imali moždani udar ili kod onih koji imaju Alzheimerovu bolest.
U NASA-inom svemirskom laboratoriju za zračenje u Brookhavenu, pomoću snopa željeznih iona ubrzanih do energije od 1 GeV / nukleon, simulirano je galaktičko zračenje na predakceleratoru teških iona RHIC sudarača u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven. Pokus sa štakorima nazvan je "kognitivni test". Mala čvrsta površina smještena je u okrugli bazen pod tankim slojem neprozirne vode. Laboratorijski štakori - prvo zdravi, a zatim ozračeni zrakama željeznih iona - lansirani su u ovaj bazen i pratili su koliko brzo životinje mogu pronaći ovo područje i popeti se na njega. Zdravi štakori brzo su pronašli mjesto i krenuli prema njemu najkraćim putem. Zračenje teškim ionima dramatično je promijenilo kognitivne funkcije (sposobnost učenja) životinja. Mjesec dana nakon zračenja, ponašanje štakora se dramatično promijenilo. Petljala jedugo je kružila oko bazena, dok gotovo slučajno nije uspjela osjetiti čvrsto tlo pod nogama. Sposobnosti razmišljanja životinje bile su ozbiljno oslabljene. Takav učinak nije primijećen kada su štakori ozračeni X-zrakama i gama zračenjem.
Da bi se predstavile moguće posljedice ozračivanja ljudskog tijela teškim ionima, potrebno je "igrati" model kozmičke opasnosti na primatima, smatraju istraživači. Ipak, šteta otkrivena kod glodavaca od učinaka galaktičkog zračenja teških iona dovoljno je uvjerljiva da o njoj ne razmišljamo kad planiramo ljude poslati na dugi let na Mars.
Kako izbjeći nevolje
Iz onoga što danas znaju fizičari i biolozi, proizlazi da se rizik od zračenja oštećenja astronauta ne može svesti na nulu tijekom više od godinu dana putovanja na Mars. Do sada postoje načini za smanjenje ovog rizika u obliku ideja.
Prva ideja: planirati let na Mars tijekom maksimalnog solarnog ciklusa. U ovom trenutku protok galaktičkih kozmičkih zraka bit će manji zbog činjenice da će međuplanetarno magnetsko polje Sunčevog sustava savijati putanje galaktičkih kozmičkih zraka, nastojeći smanjiti intenzitet njihovih čestica i "pometati" čestice s energijom manjom od 400 MeV / nukleon iz Sunčevog sustava.
Druga ideja: značajno smanjiti doze zračenja od galaktičkog zračenja pomoću pouzdane zaštite broda i osigurati u brodskom dizajnu poseban pretinac-zaklon s moćnijom zaštitom od moćnih struja nepredvidivog sunčevog vjetra. Već se razvijaju nove vrste zaštitnih materijala koji bi postali učinkovitiji od trenutno korištenog aluminija, na primjer plastike koja sadrži vodik, poput polietilena. Uz njihovu pomoć moguće je stvoriti zaštitu sposobnu smanjiti dozu zračenja za 30 - 35% u debljini od 7 cm. Istina, to nije dovoljno, smatraju znanstvenici, debljina zaštitnog sloja mora se povećati. A ako ne uspije, onda značajno smanjite trajanje leta - recimo, barem na 100 dana. Sto dana je brojka za sada samo intuitivno opravdana. Ali u svakom slučaju trebate letjeti brže.
Treća ideja: opskrbiti pilote marsovske letjelice učinkovitim lijekovima protiv zračenja koji bi mogli značajno ojačati veze između DNA proteina, smanjujući njihovu ranjivost na bombardiranje teškim ionima.
Četvrta ideja: stvoriti umjetno magnetsko polje oko letjelice, slično magnetskom polju Zemlje. Postoji projekt za supervodljivi toroidni magnet, unutar i izvan kojeg se polje približava nuli, kako ne bi naštetilo zdravlju astronauta. Moćno polje takvog magneta trebalo bi preusmjeriti velik udio kozmičkih protona i jezgri s letjelice i smanjiti dozu zračenja za 3-4 puta tijekom ekspedicije na Mars. Prototip takvog magneta već je stvoren i koristit će se u eksperimentu za proučavanje kozmičkih zraka na brodu Međunarodne svemirske stanice.
Ipak, dok ideje o zaštiti marsovske posade nisu pronašle svoje utjelovljenje, postoji samo jedan izlaz, kažu radiobiolozi: provesti detaljna radiobiološka ispitivanja u zemaljskim uvjetima na akceleratorima teških iona, što će u zemaljskim uvjetima omogućiti simuliranje štetnog učinka visokoenergijskih teških jezgara koje proizlaze iz dubina galaksije. Među takvim jedinstvenim akceleratorima su Nuclotron iz Laboratorija za fiziku visokih energija JINR-a i kompleks sudarača NICA stvoren na njegovoj osnovi. Znanstvenici polažu velike nade u mogućnosti ovih instalacija.
A ako se žurimo letjeti na Mars, tada je vrijeme ili za izgradnju bržih svemirskih brodova, ili zasad ostavljamo snove o letovima s posadom u dubokom svemiru. Neka roboti zasad putuju.
