Et team af forskere fra University of Rochester Medical Center (URMC) i New York har annonceret resultaterne af deres forskning. Langvarige astronauter i rummet, for eksempel under en flyvning til Mars, kan føre til helbredsproblemer på grund af galaktisk stråling. Især til hjernedegeneration og muligvis endda starten på Alzheimers sygdom.
Tidligere, i 2012, blev lignende konklusioner rapporteret af russiske forskere. Som Natalia Teryaeva skriver i avisen Ploshchad Mira, “hvis du flyver på en Mars-ekspedition i et moderne rumfartøj, vil flyvningen tage mindst 500 dage. I løbet af denne periode af rummissionen kan astronauternes helbred gå tabt.
Dette fremgår af resultaterne af undersøgelser foretaget af russiske radiobiologer og fysiologer, som blev diskuteret på Joint Institute for Nuclear Research (JINR) på et besøgende møde i Præsidiet for Institut for Fysiologi og Grundlæggende Medicin i det Russiske Videnskabsakademi.
Forskere ser den største fare i galaktisk stråling: det kan fratage en person syn og fornuft, uden hvilken det ikke vil være muligt at nå målet eller vende hjem.
Udtalelser fra forskere om faren for tunge ioner for astronautternes organisme er ikke spekulative, de er baseret på data fra acceleratoreksperimenter med dyr udført på Laboratory of Radiation Biology fra Joint Institute for Nuclear Research (LRB JINR) i samarbejde med Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences (IMPB RAS), Institut for Biokemi RAS (IBCh RAS) og i samarbejde med biologer fra American National Space Agency (NASA).
Tunge ioner er skræmmende end protoner
I det dybe rum - ud over Jordens magnetfelt - ligger farlig kosmisk stråling, der stammer fra galaksens dyb, på lur på mennesket.
Salgsfremmende video:
"Galaktiske kosmiske stråler er strømme af elementære partikler - lette og tunge ioner," forklarer Mikhail Panasyuk, direktør for Skobeltsyn Research Institute of Nuclear Physics (SINP MSU). - Atomer i kosmiske stråler er blottet for elektronskaller, de er faktisk "nøgne" kerner. Årsagen til dette er interaktionen med stof i processen med deres overførsel i universet. Det mest almindelige element i kosmiske stråler er brint, og dets ioner er protoner. Disse partikler accelereres af stødbølger - resterne af supernovaeksplosioner. Sådanne stjerner eksploderer ikke mere end en gang hvert 30-50 år i vores Galaxy.
Partikelstrømmen af galaktiske kosmiske stråler er konstant, i modsætning til solkosmiske stråler, som genereres på solen eller i det interplanetære medium under solstråler. På grund af dette er det samlede bidrag fra solkosmiske stråler over lang tid ubetydeligt. Men under solstråler (i flere timer, dage) kan strømmen af solkosmiske stråler overstige strømmen af galaktiske kosmiske stråler. Derudover er energierne fra partikler fra solkosmiske stråler som regel mindre end for partikler fra galaktiske kosmiske stråler. Der er også ekstragalaktiske kosmiske stråler, der kommer ind i vores galakse fra andre galakser. Deres energi er større end for galaktiske kosmiske stråler, men strømmen er meget mindre. Kosmiske stråler har et enormt energiområde: fra 106 (1 MeV) til 1021 eV (1 ZeV)."
Energimassespektrometre installeret på rumforskningssatellitter registrerede sammensætningen af kosmiske stråler. Det viste sig, at lidt mindre end en procent af alle partikler af galaktisk stråling er tunge ioner med en energi på 300 - 500 MeV / nukleon - kernerne i tunge kemiske grundstoffer. Fraktionen af lette og tunge ioner af galaktisk stråling indeholder de fleste ioner af kulstof, ilt og jern - af disse stabile elementer dannes stjernekerner som et resultat af stjernernes udvikling.
Resultaterne af målinger af rumsatellitter tjente som grundlag for yderligere modelberegninger, der viste, at uden for Jordens magnetosfære falder omkring 105 tunge ioner pr. Kvadratcentimeter areal om året og omkring 160 partikler om dagen med en ladning Z større end 20. Dette betyder, at under en flyvning til Mars i hver dag vil et sådant antal af dem falde pr. kvadratcentimeter af kosmonautens kropsoverflade.
Kosmiske tunge ioner er så energiske, at de "gennemborer" huden på et moderne rumfartøj i åbent rum, som kanonkugler, der bombarderer fin silke. Forskere fra JINR's laboratorium for strålingsbiologi har fundet ud af, hvordan dette kan skade jordens budbringers sundhed på en lang rejse.
Til Mars - ved berøring?
”Det lykkedes os at finde ud af, hvorfor de samme doser af forskellig stråling (tung ionstrømning, neutron-, gammastråling) forårsager forskellige effekter på levende celler,” siger Evgeny Krasavin, direktør for LRB JINR, RAS-korresponderende medlem. - Det viste sig, at forskellene i effektiviteten af virkningen af forskellig stråling er forbundet med både de fysiske egenskaber ved strålingen og de biologiske egenskaber af selve den levende celle - dens evne til at reparere DNA-skader efter bestråling. I eksperimenter med tunge ionacceleratorer fandt vi, at den mest alvorlige DNA-skade opstår under påvirkning af tunge ioner. Forskellen mellem virkningen af røntgenstråler (en stråle af fotoner) og en stråle af tunge ioner kan forestilles som dette: at skyde et lille skud fra en pistol ind i en mur er skade fra røntgenstråler,at skyde en kanonkugle på den samme mur er ødelæggelse fra en tung ion. Tunge partikler, der har en stor masse, mister meget mere af deres energi pr. Tilbagelagt afstandsenhed end deres lettere kolleger. Det er grunden til, at en tung ion, der passerer gennem cellen, producerer stor ødelæggelse. Når en tung partikel passerer gennem cellekernen, dannes en "klyngetype" -læsion med flere brud af kemiske bindinger i DNA-fragmentet. De forårsager forskellige typer alvorlige kromosomskader i cellernes kerner. "Når en tung partikel passerer gennem cellekernen, dannes en "klyngetype" -læsion med flere brud af kemiske bindinger i DNA-fragmentet. De forårsager forskellige typer alvorlige kromosomskader i cellernes kerner. "Når en tung partikel passerer gennem cellekernen, dannes en "klyngetype" -læsion med flere brud af kemiske bindinger i DNA-fragmentet. De forårsager forskellige typer alvorlige kromosomskader i cellernes kerner."
Endvidere var logikken med forskeres begrundelse som følger. Hydrogenioner (protoner) med en energi på 200-300 MeV / nukleon har tid til at løbe gennem en sti, der er 11 cm lang i vand inden fuldstændig deceleration. Den menneskelige krop er 90% vand. Ved at ekstrapolere dette resultat til en levende menneskelig krop får vi konklusionen: selv lette ioner på vej kan skade tusinder af celler i vores krop. I tilfælde af tunge ioner med en ladning på mere end 20, forventes et endnu mere beklageligt sundhedsresultat.
Hvilke menneskelige organer kan blive beskadiget af galaktiske tunge ioner, der er mest alvorlige og livstruende?
- Hvis du tænker på aktivt at sprede sig - hurtigt at forny - kropsvæv, såsom blod eller hud, vil deres skader på grund af naturlige egenskaber hurtigt komme sig, - forklarer direktøren for LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Men på statiske væv - centralnervesystemet, øjne, som ikke har den naturlige evne til hurtigt at reparere skader, vil den konstante strøm af tunge ioner have en lagdelt skadelig virkning og forårsage regelmæssig celledød. Men centralnervesystemet og øjet er kontrol "chips" i vores krop.
I eksperimenter på dyr i Dubna undersøgte en gruppe radiobiologer ledet af akademiker fra det russiske videnskabsakademi Mikhail Ostrovsky mekanismerne for effekten af tunge ioner på øjets strukturer - linsen, nethinden og hornhinden. Ved JINR-acceleratorerne blev mus og opløsninger af krystalliner (proteiner) af deres linse bestrålet med 100-200 MeV-protonstråler.
”Linsen i øjet hos mennesker og hvirveldyr er 90% sammensat af alfa-, beta- og gamma-krystalliner,” sagde akademiker Ostrovsky i sin tale på et besøgsmøde i Præsidiet for Institut for Fysisk Matematik og Mekanik fra det Russiske Videnskabsakademi. - Indholdet af disse proteiner i linsen er omtrent det samme, men de adskiller sig markant i struktur og molekylvægt. Eksponering for ultraviolet stråling eller stråling kan forårsage krystallinsk aggregering - udseendet af uigennemsigtige fibre i linsen. Som et resultat af aggregering dannes store lysspredende konglomerater, der fører til uklarhed af linsen, det vil sige til udvikling af grå stær. Passerer gennem linsen i øjet, selv enkelte tunge ioner efter et stykke tid kan få det til at blive overskyet.
Vend tilbage til jorden som en Homo sapiens
Mindst af alle radiobiologer har undersøgt den skadelige virkning af tunge ioner på centralnervesystemet. Ifølge NASA-eksperter vil 2 til 13 procent af nervecellerne under en Mars-mission blive krydset af mindst en jernion. Og en proton vil flyve gennem kernen i hver celle i kroppen hver tredje dag. Derfor er der en alvorlig fare for irreversible krænkelser af skibets besætnings adfærdsmæssige reaktioner. Dette bringer den samlede mission i fare. Hjernen er et meget følsomt instrument, og forstyrrelse af små dele af det kan føre til tab af hele kroppens funktion, som det er tilfældet hos mennesker, der har haft slagtilfælde eller hos dem, der har Alzheimers sygdom.
På NASA's Space Radiation Laboratory i Brookhaven blev der ved hjælp af en stråle af jernioner accelereret til en energi på 1 GeV / nukleon simuleret galaktisk stråling på den tunge ion-foraccelerator af RHIC-kollideren ved Brookhaven National Laboratory. Rotteeksperimentet blev kaldt "kognitiv test". Et lille fast område blev anbragt i en rund pool under et tyndt lag med uigennemsigtigt vand. Laboratorierotter - først sunde og derefter bestrålet med bjælker af jernioner - blev sendt i denne pulje og overvåget, hvor hurtigt dyrene kunne finde dette område og klatre op på det. Sunde rotter fandt hurtigt stedet og gik mod det langs den korteste sti. Bestråling med tunge ioner ændrede dramatisk de kognitive funktioner (læringsevne) hos dyr. En måned efter bestrålingen ændrede rotternes opførsel sig dramatisk. Hun sløjfedeI lang tid cirklede hun rundt om bassinet, indtil hun næsten ved et uheld formåede den faste jord under fødderne. Dyrets tænkeevne blev alvorligt nedsat. Når rotter blev bestrålet med røntgen- og gammastråling, blev denne effekt ikke observeret.
For at repræsentere de mulige konsekvenser af bestråling af menneskekroppen med tunge ioner er det nødvendigt at "spille" modellen for kosmisk fare på primater, mener forskerne. Ikke desto mindre er skaden afsløret hos gnavere fra virkningerne af galaktisk stråling fra tunge ioner overbevisende nok til ikke at tænke over det, når man planlægger at sende folk på en lang flyvning til Mars.
Sådan undgår du problemer
Af det, som fysikere og biologer kender i dag, følger det, at risikoen for strålingsskader på astronauter ikke kan reduceres til nul i løbet af mere end et års rejse til Mars. Der findes hidtil metoder til at reducere denne risiko i form af ideer.
Første idé: at planlægge en flyvning til Mars under den maksimale solcyklus. På dette tidspunkt vil strømmen af galaktiske kosmiske stråler være mindre på grund af det faktum, at solsystemets interplanetære magnetfelt vil bøje banerne for galaktiske kosmiske stråler og søger at reducere intensiteten af deres partikler og "feje" fra solsystemets partikler med energier mindre end 400 MeV / nukleon.
Den anden idé: At reducere strålingsdoser fra galaktisk stråling markant ved hjælp af pålidelig beskyttelse af skibet og i skibets design tilvejebringe et specielt rumrum med mere kraftig beskyttelse mod kraftige strømme af uforudsigelig solvind. Nye typer beskyttelsesmaterialer er allerede under udvikling, der ville blive mere effektive end det aktuelt anvendte aluminium, for eksempel hydrogenholdig plast, såsom polyethylen. Med deres hjælp er det muligt at skabe en beskyttelse, der er i stand til at reducere strålingsdosis med 30-35% ved en tykkelse på 7 cm. Det er sandt, det er ikke nok, siger forskere, tykkelsen af det beskyttende lag skal øges. Og hvis det ikke fungerer, skal du reducere flyvarigheden betydeligt - sig mindst til 100 dage. Hundrede dage er en figur indtil videre kun intuitivt begrundet. Men under alle omstændigheder skal du flyve hurtigere.
Den tredje idé: At forsyne piloter til Mars-rumfartøjet med effektive anti-strålingsmedikamenter, der kunne styrke båndene mellem DNA-proteiner betydeligt og reducere deres sårbarhed over for tung ionbombardement.
Den fjerde idé: at skabe et kunstigt magnetfelt omkring rumfartøjet, svarende til jordens magnetfelt. Der er et projekt med en superledende toroidmagnet, inden i og uden for, hvor feltet nærmer sig nul, for ikke at skade astronauternes helbred. Det magtfulde felt af en sådan magnet skal aflede en stor del af kosmiske protoner og kerner fra rumfartøjet og reducere strålingsdosis med 3-4 gange under ekspeditionen til Mars. Prototypen af en sådan magnet er allerede oprettet og vil blive brugt i et eksperiment til at studere kosmiske stråler om bord på den internationale rumstation.
Alligevel, indtil idéerne om at beskytte Mars-besætningen ikke har fundet deres udførelsesform, er der kun en udvej, siger radiobiologer: at gennemføre detaljerede radiobiologiske undersøgelser under jordbundsforhold på tunge ionacceleratorer, som under jordbundsforhold vil simulere den skadelige virkning af tunge kerner med høj energi, der stammer fra dybden af galaksen. Blandt sådanne unikke acceleratorer er Nuclotron of the Laboratory for High Energy Physics of JINR og NICA collider complex oprettet på basis heraf. Forskere sætter store forhåbninger på kapaciteten ved disse installationer.
Og hvis vi har travlt med at flyve til Mars, er det enten tid til at bygge hurtigere rumskibe eller at efterlade drømmene om bemandede flyvninger i det dybe rum indtil videre. Lad robotterne rejse nu.