Un team di ricercatori dell'Università di Rochester Medical Center (URMC) di New York ha annunciato i risultati della loro ricerca. Gli astronauti a lungo termine nello spazio, ad esempio, durante un volo su Marte, possono portare a problemi di salute a causa delle radiazioni galattiche. In particolare, alla degenerazione cerebrale e forse anche all'insorgenza del morbo di Alzheimer.
In precedenza, nel 2012, risultati simili erano stati riportati da scienziati russi. Come scrive Natalia Teryaeva sul quotidiano Ploshchad Mira, “se voli su una spedizione marziana a bordo di un moderno veicolo spaziale, il volo richiederà almeno 500 giorni. Durante questo periodo della missione spaziale, la salute degli astronauti può essere persa irrevocabilmente.
Ciò è dimostrato dai risultati degli studi di radiobiologi e fisiologi russi, discussi presso l'Istituto congiunto per la ricerca nucleare (JINR) in una riunione in visita dell'Ufficio del Dipartimento di Fisiologia e Medicina Fondamentale dell'Accademia Russa delle Scienze.
Gli scienziati vedono il pericolo maggiore nelle radiazioni galattiche: possono privare una persona della vista e della ragione, senza le quali non sarà possibile raggiungere l'obiettivo o tornare a casa.
Le dichiarazioni dei ricercatori sul pericolo di ioni pesanti per l'organismo degli astronauti non sono speculative, si basano sui dati di esperimenti con acceleratori con animali effettuati presso il Laboratorio di biologia delle radiazioni dell'Istituto congiunto per la ricerca nucleare (LRB JINR) in collaborazione con l'Istituto di problemi biomedici dell'Accademia russa delle scienze (IMPB RAS), l'Istituto di biochimica RAS (IBCh RAS) e in collaborazione con i biologi dell'Agenzia spaziale nazionale americana (NASA).
Gli ioni pesanti sono più spaventosi dei protoni
Nello spazio profondo, oltre il campo magnetico terrestre, la pericolosa radiazione cosmica emanata dalle profondità della galassia attende l'uomo.
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"I raggi cosmici galattici sono flussi di particelle elementari - ioni leggeri e pesanti", spiega Mikhail Panasyuk, direttore dello Skobeltsyn Research Institute of Nuclear Physics (SINP MSU). - Gli atomi dei raggi cosmici sono privi di gusci elettronici, infatti, sono nuclei "nudi". La ragione di ciò è l'interazione con la materia nel processo del loro trasferimento nell'Universo. L'elemento più comune dei raggi cosmici è l'idrogeno ei suoi ioni sono i protoni. Queste particelle sono accelerate dalle onde d'urto, i resti delle esplosioni di supernova. Tali stelle esplodono nella nostra Galassia non più di una volta ogni 30-50 anni.
Il flusso di particelle dei raggi cosmici galattici è costante, a differenza dei raggi cosmici solari, che vengono generati sul Sole o nel mezzo interplanetario durante i brillamenti solari. Per questo motivo, il contributo totale dei raggi cosmici solari per un lungo periodo è insignificante. Ma durante i brillamenti solari (per diverse ore, giorni), il flusso dei raggi cosmici solari può superare il flusso dei raggi cosmici galattici. Inoltre, l'energia delle particelle dei raggi cosmici solari, di regola, è inferiore a quella delle particelle dei raggi cosmici galattici. Ci sono anche raggi cosmici extragalattici che entrano nella nostra Galassia da altre galassie. La loro energia è maggiore di quella dei raggi cosmici galattici, ma i flussi sono molto inferiori. I raggi cosmici hanno una vasta gamma di energia: da 106 (1 MeV) a 1021 eV (1 ZeV)."
Gli spettrometri energia-massa installati sui satelliti per la ricerca spaziale hanno registrato la composizione dei raggi cosmici. Si è scoperto che poco meno dell'uno percento di tutte le particelle di radiazione galattica sono ioni pesanti con un'energia di 300-500 MeV / nucleone - i nuclei di elementi chimici pesanti. La frazione di ioni leggeri e pesanti della radiazione galattica contiene la maggior parte degli ioni di carbonio, ossigeno e ferro: di questi elementi stabili, i nuclei stellari si formano come risultato dell'evoluzione delle stelle.
I risultati delle misurazioni dei satelliti spaziali sono serviti come base per ulteriori calcoli del modello, che hanno mostrato che al di fuori della magnetosfera terrestre cadono circa 105 ioni pesanti per centimetro quadrato di area all'anno e circa 160 particelle con una carica Z maggiore di 20. Ciò significa che durante un volo su Marte in ogni giorno solo un tale numero cadrà su un centimetro quadrato della superficie corporea del cosmonauta.
Gli ioni pesanti spaziali sono così energici che "bucano" la pelle di una moderna navicella spaziale nello spazio, come palle di cannone che bombardano seta sottile. Gli scienziati del Laboratorio di Biologia delle Radiazioni di JINR hanno scoperto come questo possa danneggiare la salute dei messaggeri della Terra in un lungo viaggio.
Su Marte - al tatto?
"Siamo riusciti a capire perché le stesse dosi di radiazioni diverse (flusso di ioni pesanti, neutroni, radiazioni gamma) causano effetti diversi sulle cellule viventi", afferma Evgeny Krasavin, Direttore dell'LRB JINR, Membro corrispondente RAS. - Si è scoperto che le differenze nell'efficacia dell'azione di diverse radiazioni sono associate sia alle caratteristiche fisiche della radiazione che alle proprietà biologiche della cellula vivente stessa - la sua capacità di riparare i danni al DNA dopo l'irradiazione. In esperimenti con acceleratori di ioni pesanti, abbiamo scoperto che il danno più grave al DNA si verifica sotto l'influenza di ioni pesanti. La differenza tra l'impatto dei raggi X (un raggio di fotoni) e un raggio di ioni pesanti può essere immaginata in questo modo: sparare un piccolo colpo da una pistola contro un muro è un danno dai raggi X,sparare una palla di cannone allo stesso muro è distruzione da parte di uno ione pesante. Le particelle pesanti, che possiedono una grande massa, perdono molta più energia per unità di distanza percorsa rispetto alle loro controparti più leggere. Ecco perché, passando attraverso la cellula, uno ione pesante in arrivo produce una grande distruzione. Quando una particella pesante passa attraverso il nucleo cellulare, si forma una lesione "di tipo a grappolo" con molteplici rotture di legami chimici nel frammento di DNA. Causano vari tipi di gravi danni cromosomici nei nuclei delle cellule ". Quando una particella pesante passa attraverso il nucleo cellulare, si forma una lesione "di tipo a grappolo" con molteplici rotture di legami chimici nel frammento di DNA. Causano vari tipi di gravi danni cromosomici nei nuclei delle cellule ". Quando una particella pesante passa attraverso il nucleo cellulare, si forma una lesione "di tipo a grappolo" con molteplici rotture di legami chimici nel frammento di DNA. Causano vari tipi di gravi danni cromosomici nei nuclei delle cellule ".
Inoltre, la logica del ragionamento degli scienziati era la seguente. Gli ioni idrogeno (protoni) con un'energia di 200-300 MeV / nucleone hanno il tempo di percorrere un percorso lungo 11 cm in acqua prima della completa decelerazione Il corpo umano è composto per il 90% da acqua. Estrapolando questo risultato a un corpo umano vivente, otteniamo la conclusione: anche gli ioni di luce sul loro cammino possono danneggiare migliaia di cellule del nostro corpo. Nel caso di ioni pesanti con una carica superiore a 20, ci si dovrebbe aspettare un risultato ancora più deplorevole per la salute.
Quali organi umani possono essere danneggiati dagli ioni pesanti galattici in modo più grave e pericoloso per la vita?
- Se pensi di proliferare attivamente - rinnovare rapidamente - i tessuti del corpo, come il sangue o la pelle, il loro danno dovuto alle proprietà naturali si riprenderà rapidamente, - spiega il direttore di LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Ma sui tessuti statici - il sistema nervoso centrale, gli occhi, che non hanno la capacità naturale di riparare rapidamente i danni, il flusso costante di ioni pesanti avrà un effetto dannoso di stratificazione, causando la morte cellulare regolare. Ma il sistema nervoso centrale e l'occhio sono i "chip" di controllo del nostro corpo.
Negli esperimenti sugli animali a Dubna, un gruppo di radiobiologi guidato dall'accademico dell'Accademia delle scienze russa Mikhail Ostrovsky ha studiato i meccanismi dell'effetto degli ioni pesanti sulle strutture dell'occhio: il cristallino, la retina e la cornea. Presso gli acceleratori JINR, i topi e le soluzioni di cristalline (proteine) del loro cristallino sono stati irradiati con fasci di protoni da 100-200 MeV.
"Il cristallino degli esseri umani e dei vertebrati è composto per il 90% da alfa, beta e gamma cristalline", ha detto l'accademico Ostrovsky nel suo discorso durante una riunione in visita dell'Ufficio del Dipartimento di Matematica Fisica e Meccanica dell'Accademia Russa delle Scienze. - Il contenuto di queste proteine nella lente è approssimativamente lo stesso, ma differiscono in modo significativo per struttura e peso molecolare. L'esposizione a radiazioni ultraviolette o radiazioni può causare l'aggregazione cristallina, la comparsa di fibre opache nel cristallino. Come risultato dell'aggregazione, si formano grandi conglomerati di diffusione della luce, che portano all'opacità del cristallino, cioè allo sviluppo della cataratta. Passando attraverso il cristallino dell'occhio, anche singoli ioni pesanti dopo un po 'possono renderlo opaco.
Torna sulla Terra come Homo sapiens
Meno di tutti i radiobiologi hanno studiato l'effetto dannoso degli ioni pesanti sul sistema nervoso centrale. Secondo gli esperti della NASA, durante una missione su Marte, dal 2 al 13 per cento delle cellule nervose sarà attraversato da almeno uno ione di ferro. E un protone volerà attraverso il nucleo di ogni cellula del corpo ogni tre giorni. Pertanto, esiste un serio pericolo di violazioni irreversibili delle reazioni comportamentali dell'equipaggio della nave. Ciò mette a repentaglio la missione complessiva. Il cervello è uno strumento molto delicato e l'interruzione di piccole parti di esso può portare alla perdita del funzionamento di tutto il corpo, come nel caso delle persone che hanno avuto un ictus o di chi soffre di Alzheimer.
Presso il NASA Space Radiation Laboratory di Brookhaven, utilizzando un fascio di ioni di ferro accelerato a un'energia di 1 GeV / nucleone, la radiazione galattica è stata simulata sul preacceleratore di ioni pesanti del collisore RHIC al Brookhaven National Laboratory. L'esperimento sui ratti è stato chiamato "test cognitivo". Una piccola area solida è stata posta in una piscina rotonda sotto un sottile strato di acqua opaca. Ratti da laboratorio, prima sani e poi irradiati con fasci di ioni di ferro, sono stati lanciati in questa pozza e hanno monitorato la velocità con cui gli animali potevano trovare quest'area e arrampicarsi su di essa. Ratti sani hanno trovato rapidamente il sito e si sono incamminati verso di esso lungo il percorso più breve. L'irradiazione con ioni pesanti ha alterato drasticamente le funzioni cognitive (capacità di apprendimento) degli animali. Un mese dopo l'irradiazione, il comportamento del topo è cambiato radicalmente. Ha fatto un loopper molto tempo girò intorno alla piscina, finché quasi accidentalmente riuscì a sentire il terreno solido sotto i suoi piedi. Le capacità di pensiero dell'animale erano gravemente compromesse. Quando i ratti sono stati irradiati con raggi X e radiazioni gamma, questo effetto non è stato osservato.
Secondo i ricercatori, per rappresentare le possibili conseguenze dell'irraggiamento del corpo umano con ioni pesanti è necessario “giocare” il modello del rischio cosmico sui primati. Tuttavia, il danno rivelato nei roditori dagli effetti delle radiazioni galattiche degli ioni pesanti è abbastanza convincente da non pensarci quando si pianifica di inviare persone su un lungo volo su Marte.
Come evitare guai
Da quanto sanno oggi fisici e biologi, ne consegue che il rischio di danni da radiazioni ai cosmonauti durante il viaggio di oltre un anno su Marte non può essere ridotto a zero. Finora esistono metodi per ridurre questo rischio sotto forma di idee.
Prima idea: pianificare un volo su Marte durante il ciclo solare massimo. In questo momento, il flusso dei raggi cosmici galattici sarà inferiore a causa del fatto che il campo magnetico interplanetario del sistema solare piegherà le traiettorie dei raggi cosmici galattici, cercando di ridurre l'intensità delle loro particelle e "spazzare via" particelle con energie inferiori a 400 MeV / nucleone dal sistema solare.
La seconda idea è quella di ridurre significativamente la dose di radiazioni dalle radiazioni galattiche con l'aiuto di una protezione affidabile della nave e di fornire nella struttura della nave uno speciale riparo del compartimento con una protezione più potente da potenti flussi di vento solare imprevedibile. Sono già in fase di sviluppo nuovi tipi di materiali protettivi che diventerebbero più efficaci dell'alluminio attualmente utilizzato, ad esempio le plastiche contenenti idrogeno come il polietilene. Con il loro aiuto è possibile creare una protezione in grado di ridurre la dose di radiazioni del 30 - 35% a uno spessore di 7 cm. È vero, questo non è abbastanza, ritengono gli scienziati, lo spessore dello strato protettivo deve essere aumentato. E se non funziona, riduci in modo significativo la durata del volo, ad esempio almeno a 100 giorni. Cento giorni è una cifra finora giustificata solo intuitivamente. Ma in ogni caso, devi volare più velocemente.
La terza idea: fornire ai piloti della navicella marziana efficaci farmaci anti-radiazioni che potrebbero rafforzare in modo significativo i legami tra le proteine del DNA, riducendo la loro vulnerabilità al bombardamento ionico pesante.
La quarta idea: creare un campo magnetico artificiale attorno al veicolo spaziale, simile al campo magnetico terrestre. C'è un progetto per un magnete toroidale superconduttore, all'interno e all'esterno del quale il campo si avvicina allo zero, in modo da non danneggiare la salute degli astronauti. Il potente campo di un tale magnete dovrebbe deviare una grande proporzione di protoni e nuclei cosmici dal veicolo spaziale e ridurre la dose di radiazioni di 3-4 volte durante la spedizione su Marte. Il prototipo di un tale magnete è già stato creato e sarà utilizzato in un esperimento per studiare i raggi cosmici a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
Tuttavia, fino a quando le idee di proteggere l'equipaggio marziano non hanno trovato la loro incarnazione, c'è solo una via d'uscita, dicono i radiobiologi: condurre studi radiobiologici dettagliati in condizioni terrestri su acceleratori di ioni pesanti, che, in condizioni terrestri, simuleranno l'effetto dannoso dei nuclei pesanti ad alta energia che emanano dalle profondità della galassia. Tra questi acceleratori unici vi sono il Nuclotron del Laboratory for High Energy Physics di JINR e il complesso di collisori NICA che viene creato sulla sua base. Gli scienziati ripongono grandi speranze sulle capacità di queste installazioni.
E se abbiamo fretta di volare su Marte, allora è il momento di costruire astronavi più veloci o di lasciare per il momento i sogni di voli con equipaggio nello spazio profondo. Lascia che i robot viaggino per ora.
