Skupina raziskovalcev iz Medicinskega centra Univerze v Rochesterju (URMC) v New Yorku je objavila rezultate svojih raziskav. Dolgoročni astronavti v vesolju, na primer med letom na Mars, lahko zaradi galaktičnega sevanja povzročijo zdravstvene težave. Zlasti do degeneracije možganov in morda celo do pojava Alzheimerjeve bolezni.
Prej, leta 2012, so o podobnih ugotovitvah poročali tudi ruski znanstveniki. Kot v časopisu Ploschad Mira piše Natalia Teryaeva, »če letite na marsovsko odpravo s sodobno vesoljsko plovilo, bo let trajal vsaj 500 dni. V tem obdobju vesoljske misije se lahko zdravje astronavtov nepovratno izgubi.
To dokazujejo rezultati študij ruskih radiobiologov in fiziologov, o katerih so razpravljali na Skupnem inštitutu za jedrske raziskave (JINR) na gostujočem sestanku urada Oddelka za fiziologijo in temeljno medicino Ruske akademije znanosti.
Znanstveniki največjo nevarnost vidijo v galaktičnem sevanju: človeku lahko odvzame vid in razum, brez česar ne bo mogoče doseči cilja ali se vrniti domov.
Izjave raziskovalcev o nevarnosti težkih ionov za organizem astronavtov niso špekulativne, temeljijo na podatkih pospeševalnih poskusov z živalmi, opravljenih v Laboratoriju za sevalno biologijo Skupnega inštituta za jedrske raziskave (LRB JINR) v sodelovanju z Inštitutom za biomedicinske probleme Ruske akademije znanosti (IMPB RAS), Inštitutom za biokemijo RAS (IBCh RAS) in v sodelovanju z biologi iz Ameriške nacionalne vesoljske agencije (NASA).
Težki ioni so strašnejši od protonov
V globokem vesolju - onkraj magnetnega polja Zemlje - človeka čaka nevarno kozmično sevanje, ki izvira iz globin galaksije.
Promocijski video:
"Galaktični kozmični žarki so tokovi osnovnih delcev - lahkih in težkih ionov," pojasnjuje Mihail Panasjuk, direktor Raziskovalnega inštituta za jedrsko fiziko Skobeltsyn (SINP MSU). - Atomi kozmičnih žarkov nimajo elektronskih lupin, pravzaprav so "gola" jedra. Razlog za to je interakcija s snovjo v procesu njihovega prenosa v vesolju. Najpogostejši element kozmičnih žarkov je vodik, njegovi ioni pa so protoni. Te delce pospešijo udarni valovi - ostanki eksplozij supernove. Takšne zvezde eksplodirajo v naši Galaksiji najpogosteje kot enkrat na 30-50 let.
Pretok delcev galaktičnih kozmičnih žarkov je konstanten, za razliko od sončnih kozmičnih žarkov, ki nastajajo na Soncu ali v medplanetarnem mediju med sončnimi žarki. Zaradi tega je skupni prispevek sončnih kozmičnih žarkov v daljšem časovnem obdobju nepomemben. Toda med sončnimi žarki (za nekaj ur, dni) lahko tok sončnih kozmičnih žarkov preseže tok galaktičnih kozmičnih žarkov. Poleg tega so energije delcev sončnih kozmičnih žarkov praviloma manjše od energij delcev galaktičnih kozmičnih žarkov. V našo galaksijo iz drugih galaksij vstopajo tudi ekstragalaktični kozmični žarki. Njihova energija je večja od energije galaktičnih kozmičnih žarkov, a pretokov je veliko manj. Kozmični žarki imajo velik energijski razpon: od 106 (1 MeV) do 1021 eV (1 ZeV)."
Energetsko-masni spektrometri, nameščeni na satelitih za vesoljske raziskave, so zabeležili sestavo kozmičnih žarkov. Izkazalo se je, da so nekaj manj kot en odstotek vseh delcev galaktičnega sevanja težki ioni z energijo 300 - 500 MeV / nukleon - jedra težkih kemičnih elementov. Frakcija lahkih in težkih ionov galaktičnega sevanja vsebuje večino ionov ogljika, kisika in železa - od teh stabilnih elementov nastanejo zvezdna jedra kot rezultat evolucije zvezd.
Rezultati meritev vesoljskih satelitov so bili podlaga za nadaljnje modelne izračune, ki so pokazali, da zunaj Zemljine magnetosfere pade približno 105 težkih ionov na kvadratni centimeter površine na leto in približno 160 delcev z nabojem Z večjim od 20. To pomeni, da med letom na Mars v vsak dan jih bo padlo prav toliko na kvadratni centimeter telesne površine kozmonavta.
Vesoljski težki ioni so tako energični, da v vesolju "prebodejo" kožo sodobnega vesoljskega plovila, kot topovske krogle, ki bombardirajo fino svilo. Znanstveniki Laboratorija za sevalno biologijo JINR so ugotovili, kako lahko to škoduje zdravju zemeljskih sel na dolgi poti.
Na Mars - z dotikom?
"Uspeli smo ugotoviti, zakaj enaki odmerki različnih sevanj (pretok težkih ionov, nevtroni, gama sevanja) povzročajo različne učinke na žive celice," pravi Evgeny Krasavin, direktor LRB JINR, dopisni član RAS. - Izkazalo se je, da so razlike v učinkovitosti delovanja različnih sevanj povezane tako s fizičnimi lastnostmi sevanja kot z biološkimi lastnostmi same žive celice - njeno sposobnostjo obnavljanja poškodb DNK po obsevanju. V poskusih s pospeševalniki težkih ionov smo ugotovili, da se najhujše poškodbe DNA pojavijo pod vplivom težkih ionov. Razliko med vplivom rentgenskih žarkov (snop fotonov) in snopom težkih ionov si lahko predstavljamo takole: ustreliti majhen strel iz pištole v steno je škoda zaradi rentgenskih žarkov,ustreliti topovsko kroglo v isto steno je uničenje enega težkega iona. Težki delci z veliko maso izgubijo veliko več energije na prevoženo enoto kot njihovi lažji kolegi. Zato težki ion na poti skozi celico povzroči veliko uničenje. Ko težki delci preidejo skozi celično jedro, nastane "grozdasta" lezija z večkratnimi prekinitvami kemičnih vezi v fragmentu DNA. Povzročajo različne vrste hudih kromosomskih poškodb v jedrih celic. "Ko težki delci preidejo skozi celično jedro, nastane "grozdasta" lezija z večkratnimi prekinitvami kemičnih vezi v fragmentu DNA. Povzročajo različne vrste hudih kromosomskih poškodb v jedrih celic. "Ko težki delci preidejo skozi celično jedro, nastanejo "grozdaste" lezije z večkratnimi prekinitvami kemičnih vezi v fragmentu DNA. Povzročajo različne vrste hudih kromosomskih poškodb v jedrih celic."
Nadalje je bila logika sklepanja znanstvenikov naslednja. Vodikovi vodi (protoni) z energijo 200-300 MeV / nukleon imajo čas, da v vodi pretečejo 11 cm dolgo pot pred popolnim pojemkom, v človeškem telesu je 90% vode. Če ta rezultat ekstrapoliramo na živo človeško telo, dobimo zaključek: tudi lahki ioni na poti lahko poškodujejo na tisoče celic v našem telesu. V primeru težkih ionov z nabojem več kot 20 je treba pričakovati še bolj obžalovanja vreden rezultat za zdravje.
Katere človeške organe lahko galaktični težki ioni najbolj poškodujejo in ogrozijo življenje?
- Če pomislite na aktivno razmnoževanje - hitro obnavljanje - telesnih tkiv, kot sta kri ali koža, se bodo njihove poškodbe zaradi naravnih lastnosti hitro obnovile, - pojasnjuje direktor LRB JINR Jevgenij Krasavin. - Toda na statičnih tkivih - centralni živčni sistem, oči, ki nimajo naravne sposobnosti hitrega popravljanja poškodb, bo stalni pretok težkih ionov škodljivo vplival na plastenje in povzročil redno celično smrt. Toda osrednji živčni sistem in oko sta nadzorni "žeton" našega telesa.
V poskusih na živalih v Dubni je skupina radiobiologov pod vodstvom akademika Ruske akademije znanosti Mihaila Ostrovskega preučevala mehanizme učinka težkih ionov na očesne strukture - lečo, mrežnico in roženico. Pri pospeševalnikih JINR so miši in raztopine kristalinov (proteinov) njihove leče obsevali s protonskimi žarki 100-200 MeV.
"Kristalna leča ljudi in vretenčarjev je v 90% sestavljena iz alfa-, beta- in gama-kristalinov," je v svojem govoru na gostujočem sestanku predsedstva Oddelka za fizikalno matematiko in mehaniko Ruske akademije znanosti dejal akademik Ostrovski. - Vsebnost teh beljakovin v leči je približno enaka, vendar se bistveno razlikujejo po strukturi in molekulski masi. Izpostavljenost ultravijoličnemu sevanju ali sevanju lahko povzroči agregacijo kristalinov - pojav neprozornih vlaken v leči. Kot posledica agregacije nastanejo veliki konglomerati, ki razpršijo svetlobo, kar vodi do zameglitve leče, to je do razvoja sive mrene. Skozi očesno lečo lahko tudi posamezni težki ioni čez nekaj časa postanejo motni.
Vrnite se na Zemljo kot Homo sapiens
Vsaj vsi radiobiologi so preučevali škodljiv učinek težkih ionov na centralni živčni sistem. Po mnenju NASA-jevih strokovnjakov bo med misijo na Mars vsaj en železov ion prehodil od 2 do 13 odstotkov živčnih celic. In en proton bo letel skozi jedro vsake celice telesa vsake tri dni. Zato obstaja resna nevarnost nepopravljivih kršitev vedenjskih reakcij ladijske posadke. To ogroža splošno poslanstvo. Možgani so zelo občutljiv instrument in motenje njihovih majhnih delov lahko privede do izgube delovanja celotnega telesa, kot je to pri ljudeh, ki so imeli možgansko kap ali tistih, ki imajo Alzheimerjevo bolezen.
V NASA-jevem laboratoriju za vesoljsko sevanje v Brookhavnu so s pomočjo žarka železovih ionov, pospešenega do energije 1 GeV / nukleon, simulirali galaktično sevanje na pospeševalniku težkih ionov trkalnika RHIC v Brookhaven National Laboratory. Poskus na podganah so imenovali "kognitivni test". Majhno trdno območje je bilo postavljeno v okrogel bazen pod tanko plastjo neprozorne vode. Laboratorijske podgane - najprej zdrave, nato pa obsevane z žarki železovih ionov - so izstrelili v ta bazen in spremljali, kako hitro lahko živali najdejo to območje in se povzpnejo nanj. Zdravi podgane so hitro našli mesto in hodili proti njemu po najkrajši poti. Obsevanje s težkimi ioni je močno spremenilo kognitivne funkcije (sposobnost učenja) živali. Mesec dni po obsevanju se je vedenje podgan močno spremenilo. Zavila jedolgo je krožila po bazenu, dokler ji skoraj naključno ni uspelo začutiti trdnih tal pod nogami. Miselne sposobnosti živali so bile močno okrnjene. Ko so bile podgane obsevane z rentgenskim in gama sevanjem, tega učinka niso opazili.
Da bi predstavili možne posledice obsevanja človeškega telesa s težkimi ioni, je treba na vesolje "igrati" model kozmične nevarnosti, menijo raziskovalci. Kljub temu je škoda, ki jo pri glodalcih odkrijejo učinki galaktičnega sevanja težkih ionov, dovolj prepričljiva, da o njej ne razmišljamo, ko načrtujemo pošiljanje ljudi na dolg let na Mars.
Kako se izogniti težavam
Iz tega, kar danes poznajo fiziki in biologi, izhaja, da nevarnosti sevalnih poškodb astronavtov med več kot enoletnim potovanjem na Mars ni mogoče zmanjšati na nič. Za zdaj obstajajo metode za zmanjšanje tega tveganja v obliki idej.
Prva ideja: načrtovati let na Mars med največjim sončnim ciklom. V tem času bo pretok galaktičnih kozmičnih žarkov manjši zaradi dejstva, da bo medplanetarno magnetno polje sončnega sistema upognilo poti galaktičnih kozmičnih žarkov, s čimer želi zmanjšati intenzivnost njihovih delcev in "pometati" delce z energijo, manjšo od 400 MeV / nukleon iz sončnega sistema.
Druga ideja: občutno zmanjšati doze sevanja zaradi galaktičnega sevanja z zanesljivo zaščito ladje in v zasnovi ladje zagotoviti poseben predel-zavetje z močnejšo zaščito pred močnimi tokovi nepredvidljivega sončnega vetra. Že razvijajo se nove vrste zaščitnih materialov, ki bi postali učinkovitejši od trenutno uporabljenega aluminija, na primer plastika, ki vsebuje vodik, kot je polietilen. Z njihovo pomočjo je mogoče ustvariti zaščito, ki lahko zmanjša dozo sevanja za 30 - 35% pri debelini 7 cm. Res je, da to ni dovolj, menijo znanstveniki, debelino zaščitne plasti je treba povečati. In če ne deluje, potem bistveno skrajšajte trajanje leta - recimo, vsaj na 100 dni. Sto dni je številka zaenkrat le intuitivno upravičena. A v vsakem primeru morate leteti hitreje.
Tretja ideja: oskrba pilotov Marsovske vesoljske ladje z učinkovitimi protitelesi proti sevanju, ki bi lahko znatno okrepila vezi med beljakovinami DNA in zmanjšala njihovo ranljivost za bombardiranje s težkimi ioni.
Četrta ideja: ustvariti umetno magnetno polje okoli vesoljskega plovila, podobno zemeljskemu magnetnemu polju. Obstaja projekt superprevodnega toroidnega magneta, znotraj katerega in zunaj se polje približa ničli, da ne bi škodovalo zdravju astronavtov. Močno polje takega magneta bi moralo preusmeriti velik delež kozmičnih protonov in jeder z vesoljskega plovila ter med odpravo na Mars zmanjšati dozo sevanja za 3 - 4-krat. Prototip takega magneta je že bil ustvarjen in bo uporabljen v poskusu za preučevanje kozmičnih žarkov na krovu Mednarodne vesoljske postaje.
Dokler ideje o zaščiti Marsovske posadke niso našle svoje utelešenja, radiobiologi pravijo, da je samo en izhod: izvesti podrobne radiobiološke študije v zemeljskih razmerah na pospeševalnikih težkih ionov, ki bodo v zemeljskih razmerah simulirale škodljiv učinek visokoenergijskih težkih jeder, ki izvirajo iz globin galaksije. Med takšnimi edinstvenimi pospeševalniki sta Nuclotron iz Laboratorija za fiziko visokih energij JINR in trkovni kompleks NICA, ki je bil ustvarjen na njegovi podlagi. Znanstveniki veliko upajo na zmogljivosti teh naprav.
In če se nam mudi leteti na Mars, je čas, da zgradimo hitrejše vesoljske ladje ali pa sanje o poletih s posadko za zdaj pustimo v globokem vesolju. Naj roboti za zdaj potujejo.