Есть ли в космосе радиация: #космосиздома

Содержание

Учёные объявили войну космической радиации


Консорциум учёных из 29 организаций по всему миру,  включая специалистов из NASA, составил стратегию по повышению радиорезистентности человека, чтобы космическая радиация не препятствовала человечеству в покорении космоса и колонизации Марса. В ней рассматривается несколько направлений для будущих исследований по защите космонавтов от облучения, включая лекарственную терапию, генную инженерию и технологию гибернации. Авторы также замечают, что радиация и старение убивают организм схожими методами и предполагают, что способы борьбы с одним могут действовать и против другого. Статья с боевым девизом в названии «Viva la radioresistance!» («Да здравствует сопротивление радиации!») была опубликована в журнале Oncotarget.


«Ренессанс космонавтики вероятно приведет к первым человеческим миссиям на Марс и в глубокий космос. Но для выживания в условиях повышенной космической радиации людям придется стать более устойчивыми к внешним факторам. В этой статье мы предлагаем методологию достижения повышенной радиорезистентности, стрессоустойчивости и устойчивости к старению. В процессе работы над стратегией мы собрали ведущих ученых из России, а также из NASA, европейского космического агентства,  канадского радиационного центра, и более чем 25 других центров по всему миру. На Земле тоже пригодятся технологии радиорезистентности, особенно, если «побочным эффектом» будет здоровое долголетие», – комментирует Александр Жаворонков, адъюнкт-профессор МФТИ, главный исполнительный директор «Инсилико».


Космос против человека



Иллюстрация: Человек беззащитен перед опасностями космоса: солнечное облучение, галактические космические лучи, магнитные поля, радиоактивная среда Марса, радиационный пояс Земли, микрогравитация (невесомость). Дизайнер Елена Хавина, пресс-служба МФТИ


«В космических масштабах наша планета — всего лишь небольшой корабль, неплохо защищенный от космического излучения. Магнитное поле Земли отклоняет солнечные и галактические заряженные частицы, тем самым существенно снижая уровень радиации на поверхности планеты. При дальних космических полетах и колонизации планет с очень слабыми магнитными полями (например, Марса) такой защиты не будет и астронавты и колонисты будут подвергаться постоянному воздействию потоков заряженных частиц с огромной энергией. Фактически космическое будущее человечества зависит от того как мы преодолеем эту проблему», – делится заведующий отделом экспериментальной радиобиологии и радиационной медицины Федерального медицинского биофизического центра имени А. И. Бурназяна, профессор РАН, сотрудник лаборатории разработки инновационных лекарственных средств МФТИ,  Андреян Осипов.


Человечество со всей серьёзностью нацелилось колонизировать Марс – SpaceX обещает доставить человека на красную планету уже в 2024 году, однако некоторые существенные проблемы до сих пор не решены. Так, одной из основной опасностей для здоровья космонавтов является космическая радиация. Ионизирующее излучение повреждает биологические молекулы, в частности, ДНК, что приводит к различным нарушениям: нервной системы, сердечно-сосудистой системы и, главным образом, к раку. Учёные предлагают объединить усилия и, используя последние достижения биотехнологий, повысить радиорезистентность человека, чтобы он мог покорять просторы глубокого космоса и колонизировать другие планеты.  


Человеческая оборона



Иллюстрация. Способы повышения радиорезистентности: 1) Генная терапия, мультиплексная генная инженерия, экспериментальная эволюция; 2) Биобанкинг, регенеративные технологии, инженерия тканей и органов, индуцированное обновление клеток, клеточная терапия; 3) Радиопротекторы, геропротекторы, антиоксиданты; 4) Гибернация; 5) Дейтерированные органические компоненты; 6) Медицинский отбор радиорезистентных людей. Дизайнер Елена Хавина, пресс-служба МФТИ


У организма есть способы защищаться от повреждений ДНК и восстанавливать их. На наше ДНК постоянно воздействует природная радиация, а также активные формы кислорода (АФК), которые образуются при нормальном клеточном дыхании. Но при починке ДНК, особенно в случае тяжёлых повреждений, могут происходить ошибки. Накопление повреждений ДНК считается одной из главных причин старения, так что радиация и старение – схожие враги человечества. Однако клетки могут адаптироваться к облучению. Показано, что маленькая доза радиации может не только не навредить, но и подготовить клетки ко встрече с более высокими дозами. Сейчас международные стандарты радиационной защиты это не учитывают. Последние же исследования говорят о том, что существует некий порог радиации, ниже которого действует принцип «тяжело в учении – легко в бою». Авторы статьи считают, что нужно исследовать механизмы радиоадаптивности, чтобы взять их на вооружение.


Заведующий лабораторией генетики продолжительности жизни и старения МФТИ, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Алексей Москалев поясняет: «Наши многолетние исследования эффектов малых доз ионизирующих излучений на продолжительность жизни модельных животных показали, что небольшие повреждающие воздействия способны стимулировать собственные защитные системы клеток и организма (репарацию ДНК, белки теплового шока, удаление нежизнеспособных клеток, врожденный иммунитет). Однако в космосе люди столкнуться с более существенным и опасным диапазоном доз радиации. Нами накоплена большая база данных по геропротекторам. Полученные знания говорят о том, что многие из них функционируют по механизму активизации резервных возможностей, повышения стрессоустойчивости. Вполне вероятно что подобная стимуляция поможет будущим колонизаторам космических просторов».


Инженерия космонавтов


Более того, среди людей радиорезистентность отличается: кто-то больше устойчив к радиации, кто-то меньше. Медицинский отбор радиорезистентных индивидов предполагает взятие образцов клеток у потенциальных кандидатов и всесторонний анализ радиоадаптивности этих клеток. Самые устойчивые к облучению полетят в космос. Кроме этого, можно проводить полногеномные исследования людей, проживающих в областях с высоким уровнем фонового излучения или сталкивающихся с ним по профессии. Геномные отличия людей, менее подверженных раку и другим заболеваниям, связанными с облучением, можно в будущем выделить и «привить» космонавтам с помощью современных методов генной инженерии, таких как редактирование генома.


Есть несколько вариантов, какие гены нужно внести, чтобы повысить радиорезистентность. Во-первых, гены антиоксидантов помогут защитить клетки от активных форм кислорода, появляющихся в результате облучения. Несколько экспериментальных групп уже успешно попробовало снизить чувствительность к радиации с помощью таких трансгенов. Однако от прямого воздействия облучения этот способ не спасёт, только от опосредованного.


Можно вносить гены белков, ответственных за восстановление ДНК. Такие опыты уже проводились – некоторые гены действительно помогали, а некоторые приводили к повышенной геномной неустойчивости, так что эта область ждёт новых исследований.


Более перспективный метод это использование радиозащитных трансгенов. Многие организмы (например, тихоходки) обладают высокой степенью радиорезистентности, и если выяснить, какие гены и молекулярные механизмы за этим стоят, их можно перевести на людей с помощью генной терапии. Чтобы убить 50% тихоходок, нужна доза облучения в 1000 раз больше, чем смертельная для человека доза. Недавно был обнаружен белок, который предположительно является одним из фактором такой выносливости – так называемый супрессор повреждений Dsup. В эксперименте с клеточной линией человека оказалось, что введение гена Dsup уменьшает повреждения на 40%. Это делает ген перспективным кандидатом в защитники человека от радиации.


Аптечка бойца


Лекарства, которые увеличивают радиационную защиту организма, называются радиопротекторами. На сегодняшний день существует только один радиопротектор, одобренный FDA. Но основные сигнальные пути в клетках, которые включены в процессы старческих патологий, участвуют также и в ответах на облучение. Исходя из этого, геропротекторы – лекарства, которые уменьшают скорость старения и продлевают продолжительность жизни – могут служить и радиопротекторами. Согласно базам данных Geroprotectors.org и DrugAge существует более 400 потенциальных геропротекторов. Авторы считают, что будет полезно рассмотреть существующие лекарства на наличие геро- и радиопротекторных свойств.


Так как ионизирующее облучение действует также через активные формы кислорода, справляться с радиацией могут помочь редокс-поглотители или, проще говоря, антиоксиданты, такие как глутатион, NAD и его предшественник NMN. Последние по видимому играют важную роль в ответе на повреждение ДНК, поэтому представляют большой интерес с точки зрения защиты от радиации и старения.


Гипер-нация в гибернации


Вскоре после запуска первых космических полетов ведущий конструктор советской космической программы Сергей Королёв начал разрабатывать амбициозный проект пилотируемого полета на Марс. Его идея заключалась в том, чтобы привести экипаж в состояние гибернации (англ. hibernation — «зимняя спячка») во время длительных космических путешествий. При гибернации все процессы в организме замедляются. Эксперименты с животными показывают, что в таком состоянии повышается устойчивость к экстремальным факторам: понижение температуры, смертельные дозы облучения, перегрузки и так далее. В СССР проект Марса был закрыт после смерти Сергея Королёва. А в настоящее время Европейское космическое агентство ЕКА работает над проектом «Аврора» по полётам на Марс и Луну, в котором рассматривается вариант спячки космонавтов. ЕКА считает, что при длительном автоматизированном полёте, гибернация обеспечит большую безопасность. Если же говорить о будущей колонизации космоса, то проще перевозить и защищать от радиации банк криоконсервированных зародышевых клеток, а не популяцию «готовых» людей. Но это явно будет не в ближайшем будущем и, возможно, к тому моменту методы радиозащиты будут развиты достаточно, чтобы человек не боялся космоса.


Тяжёлая артиллерия


Все органические соединения содержат углерод-водородные связи (С-Н). Однако можно синтезировать соединения, которые содержат вместо водорода дейтерий – более тяжёлый аналог водорода. Из-за большей массы связи с дейтерием сложнее разорвать. Однако организм рассчитан на работу с водородом, поэтому если слишком много водорода заменить на дейтерий, это может привести к плохим последствиям. Было показано на разных организмах, что добавление дейтерированной воды увеличивает продолжительность жизни и оказывает противораковое действие, но больше 20% дейтерированной воды в рационе начинает оказывать токсическое действие. Авторы статьи считают, что следует проводить доклинические испытания и искать порог безопасности.


Интересной альтернативой представляется замена не водорода, а углерода на более тяжёлый аналог. 13C тяжелее 12C всего на 8%, в то время как дейтерий тяжелее водорода на 100% – такие изменения для организма будут менее критичны. Однако этот способ не защитит от разрыва N-H и O-H связи, которые скрепляют основания ДНК. К тому же производство 13C на сегодняшний день является очень дорогим. Тем не менее, если получится снизить стоимость производства, то замена углерода может быть дополнительной защитой человека от космической радиации.


«Проблема радиационной безопасности участников космических миссий относится к классу очень сложных проблем, которые невозможно решить в рамках одного научного центра или даже целой страны. Именно по этой причине мы решили объединить специалистов из ведущих центров в России и по всему миру для того, чтобы узнать и консолидировать их видение путей решения данной проблемы. В частности, среди Российских авторов статьи есть ученые из ФМБЦ им. А.И. Бурназяна, ИМБП РАН, МФТИ и других всемирно известных учреждений. В ходе работы над проектом многие его участники впервые познакомились друг с другом и теперь планируют продолжать начатые совместные исследования», – заключает координатор проекта Иван Озеров, радиобиолог, руководитель группы анализа клеточных сигнальных путей Сколковского стартапа «Инсилико».

Опасна ли космическая радиация на полярной орбите?

Роскосмос вместо МКС хочет построить свою собственную пилотируемую станцию на полярной орбите. Возможно ли это с точки зрения радиационной безопасности?

Практически сразу после решения всех проблем со стыковкой модуля «Наука» к Международной космической станции, в Роскосмосе обсудили будущее отечественной пилотируемой космонавтики. Научно-технический совет принял решение, что стареющий российский сегмент МКС после 2024 года создает дополнительные риски, поэтому надо строить новую станцию РОСС. Сегодня рассматривается два варианта её размещения — в составе МКС, как замена нынешнего российского сегмента, или национальная станция на полярной орбите. Последний вариант вызывает вопрос: не навредят ли космонавтам заряженные частицы которые порождают полярные сияния?

Что такое космическая радиация?

Космической радиацией называют ионизирующее излучение, рожденное за пределами Земли. Это могут быть фотоны высокой энергии (рентген и гамма), электроны, субатомные частицы, протоны (ядра атома водорода) и более тяжелые ядра атомов. Возникает это излучение там, где активно проходят ядерные или термоядерные реакции либо выделяется много энергии, например в недрах звезд, у сверхновых, в аккреционных дисках черных дыр, в ядрах активных галактик, в ударных волнах межзвездного газа… Звезды в этом списке самые слабые и самые спокойные источники радиации, но Солнце гораздо ближе к нам, чем остальные, поэтому часто можно услышать, что оно представляет главную угрозу в космических полётах.

Космическую радиацию разделяют на солнечную и галактическую, в зависимости от того, с какой стороны она прилетела. В отличие от солнечной, галактическая прилетает отовсюду. Иногда космическую радиацию называют космические лучи, но тут надо понимать, что под лучами имеется в виду не свет (фотоны), а вещество — электроны, ядра атомов и продукты их деления, летящие со скоростью в десятки или сотни тысяч километров в секунду, т.е. близко к скорости света. Чем выше скорость частиц, тем выше их энергичность. Есть ещё солнечные заряженные частицы низкой энергии, чья скорость от сотен до двух тысяч километров в секунду, они называются солнечным ветром и радиацией не считаются.

Фотоны могут преодолевать просторы космического вакуума на протяжении миллиардов лет, и лишь гравитационные поля способны влиять на их траекторию. В отличие от фотонов, частицы, имеющие электрический заряд, подвергаются воздействию ещё и магнитных полей. Это могут быть галактические магнитные поля, солнечная или земная магнитосфера. Чем выше энергия частицы, тем меньшее воздействие на неё оказывает магнитное поле, и тем ближе к прямой линии её траектория.

Солнечное магнитное поле отклоняет и рассеивает заряженные частицы прилетающие извне, поэтому до Земли долетают галактические космические лучи только высокой энергии. Они довольно редки, в сравнении с солнечными, но их энергия на порядки выше. Поток солнечных заряженных частицы намного плотнее, но энергия большинства из них намного меньше, поэтому с ними эффективно взаимодействует и земное магнитное поле, и обшивка космических кораблей.

Солнечные заряженные частицы это в основном электроны, протоны и альфа-частицы (ядра атома гелия). Частицы наименьшей энергии не могут преодолеть земного магнитного поля и обтекают нашу планету на расстоянии несколько тысяч километров. Поэтому часто можно встретить утверждения, что мы защищены от космической радиации земным магнитным полем, хотя это верно лишь для космических лучей слабой и средней энергии и солнечного ветра.

Заряженные частицы высокой энергии, например от солнечных протонных событий или галактические лучи, способны «пробивать» земную магнитную защиту и поглощаются нашей атмосферой. В такие моменты на Земле датчики регистрируют увеличение потока вторичной радиации с неба, тут уже могут быть и гамма, и электроны, и нейтроны и продукты деления атомных ядер, но всё это порождается уже в воздухе. Так можно изучать космическую радиацию и с Земли, но это сложно, примерно как по кругам на воде изучать бросаемые в воду камни. Поэтому астрофизики активно запускают в космос датчики заряженных частиц и космические телескопы.

Как только в космос полетели первые дозиметры, оказалось, что распределение заряженных частиц вокруг Земли неоднородно. Так люди узнали о радиационных поясах.

Что такое радиационные пояса?

Как уже говорилось выше, заряженные частицы низкой энергии просто облетают Землю стороной «отталкиваясь» от земного магнитного поля, частицы высокой энергии — поглощаются атмосферой, но есть ещё средняя категория, которая захватывается земной магнитосферой. Тут-то и начинаются проблемы для околоземной космонавтики.

Земное магнитное поле собирает захваченные частицы в два пояса: внешний электронный и внутренний протонный. Внешний радиационный пояс состоит в основном из электронов и протонов средней энергии и распределен на расстоянии в несколько земных радиусов. Часть протонов добирается во внутренний радиационный пояс, на расстоянии примерно радиуса Земли, но главный источник протонов внутреннего радиационного пояса — вторичная радиация выбиваемая галактическими лучами из земной атмосферы. Из-за этого внешний радиационный пояс сильно взаимодействует с солнечным ветром, а внутренний отзывается только на многолетние солнечные циклы.

В 60-е человек смог даже создать искусственные радиационные пояса, когда американцы совершали высотные ядерныеиспытания.

Радиационная оболочка Земли не случайно зовется поясами, и их плотность напрямую зависит от формы магнитного поля. У экватора магнитные линии примерно параллельны земной поверхности, а на полюсах — уходят в Землю. Эта разница определяет и защитную функцию магнитного поля — чем дальше от экватора, тем проще космическим лучам добираться до плотных слоёв атмосферы. Поэтому низкая околоземная орбита близкая к экватору — самая защищенная от космической радиации, пока проходит ниже протонного радиационного пояса.

В то же время, протонный радиационный пояс — это главная причина почему современные пилотируемые корабли и станции прижимаются к Земле. Радиация там превосходит на порядки те условия, которые есть на высоте 400 км, где летает МКС. Самый высотный полёт за последние почти полвека не превысил 630 км, когда «Шаттл» летал ремонтировать телескоп Hubble. А во время лунных полётов Apollo однократное пересечение поперек внутреннего радиационного пояса давало удвоение суммарной дозы за экспедицию, т.е. за полчаса в радиационном поясе экипаж в корабле и скафандрах облучался, как за неделю в межпланетном пространстве и на поверхности Луны.

Как дела с космической радиацией на МКС?

Наклонение орбиты Международной космической станции 51,6 градус — это довольно далеко от экватора, т. е. идеальной радиационно-защищенной орбиты. Тут сказываются политические и технические причины — только на такое наклонение можно запускать корабли с Байконура, чтобы ракетные ступени не падали в Китай.

Исследования радиации на МКС идут давно, и некоторые продолжаются ещё со станции «Мир». В России этим активно занимается Институт медико-биологических проблем, в чью зону ответственности входит здоровье космонавтов, а также НИИЯФ МГУ, который следит за радиационной обстановкой. Благодаря многолетним данным, можно узнать, например, как менялась средняя доза в зависимости от одиннадцатилетнего солнечного цикла или от высоты полёта станции. Например переход с 360-километровой орбиты на 410-километровую позволил заметно снизить расход топлива на поддержание орбиты, но увеличил дозу экипажа примерно на 20%.

Чтобы не углубляться в детали, стоит сказать, что средняя доза космонавта на МКС за полугодовую экспедицию примерно равна средней дозе ликвидатора Чернобыльской аварии. И это примерно одна шестая от допустимой предельной дозы за всю карьеру космонавта. Уровень облучения на МКС может колебаться примерно на 30% в зависимости от местонахождения каюты космонавта, высоты орбиты и солнечной активности (чем выше активность, тем ниже доза).

Исследования показывают, что на орбите МКС для экипажа два главных облучающих фактора — это протоны нижнего радиационного пояса и галактические космические лучи. Солнечные вспышки за время измерений добавили к общей дозе считанные проценты. Электроны внешнего радиационного пояса вносят такой незначительный вклад в облучение экипажа, что их даже не учитывают в измерениях внутри станции. Это может быть неожиданным фактом для многих хранителей стереотипа о солнечных вспышках, как главном источнике радиационной опасности в космосе.

Фактически же, из-за радиационных поясов, поглощенная доза экипажа станции на низкой околоземной орбите примерно равна дозе на поверхности Марса, у которого нет магнитного поля, а атмосфера экранирует примерно как корпус станции.

Проблема в том, что земное магнитное поле содержит неоднородности, поэтому в районе Южной Атлантики и Бразилии часть «подковы» (если смотреть в профиль) протонного радиационного пояса прижимается близко к атмосфере. Когда МКС пролетает над Бразилией внутренний фон подскакивает в десять раз, и за сутки происходит около шести таких пересечений.

Датчики заряженных частиц, установленные на МКС позволяют построить вот такую карту космического излучения.

Здесь отчетливо видно пятно Южно-Атлантической аномалии, и возрастание радиации ближе к полюсам.

Что ждет станцию на полярной орбите?

Один из вариантов будущей Российской орбитальной служебной станции (РОСС) предполагает высоту около 360 км и наклонение орбиты 97 градусов, это значит, что станция будет летать практически поперек плоскости экватора. На такой орбите, только выше, уже летали спутники с датчиками заряженных частиц. Если взглянуть на созданные ими карты, то видно, что к Южно-Атлантической аномалии добавляются ещё две полосы.

На самом деле это места погружения в Землю магнитных линий внешнего радиационного пояса, которые близки (но не совпадают) с кольцами полярных сияний, просто развернутые в картографическую проекцию.

Глядя на эту карту, становится очевидно, что доза на такой орбите возрастет, ведь эти полосы станция будет пересекать не шесть раз в сутки, а по четыре раза на каждом витке. Да и Южно-Атлантическая аномалия никуда не девается, хотя сокращается длительность пребывания в ней.

Разумеется в Роскосмосе парни не забыли о космической радиации, и в ИМБП уже провели соответствующие расчеты. Этим летом на международной конференции GLEX заведующий лабораторией радиационного контроля при космических полётах Вячеслав Шуршаков представил расчеты дозы для полярной орбиты РОСС. Вывод неожиданный — в отсутствие солнечных вспышек средняя доза на высоте 400 км вырастет всего в 1,4 раза по сравнению с МКС, при этом не из-за радиационных поясов, а в основном, из-за галактических космических лучей.

Поскольку защитные способности магнитного поля Земли у полюсов падают практически до нуля, то галактические лучи и протоны солнечных вспышек могут беспрепятственно бомбардировать нашу Землю. Жители Мурманска могут не переживать на этот счет, ведь их, как и всех землян, защищает наша настоящая броня — атмосфера. А вот космонавтам будет хуже.

Насколько опасны для экипажа полярные сияния?

Теперь суммируем все факты. В период солнечного спокойствия, когда нет вспышек, многократные пролёты через области вхождения внешнего радиационного пояса в атмосферу не представляют заметной опасности. Это связано с тем, что этот пояс наполнен легкими электронами в большей степени чем протонами. Именно электроны дают то красивое полярное сияние, которое доступно жителям и гостям Приполярья.

Протоны тоже могут вызывать свечение атмосферы, но Бразильские полярные сияния ещё никто не наблюдал по простой причине — протонные сияния видны только в ультрафиолете.

Даже самые энергичные электроны поглощаются корпусом станции, и способны создавать проблемы только во время выхода в открытый космос.

Ситуация может значительно усугубиться во время солнечных вспышек. Специалисты ИМБП констатируют, что для экипажа стоит предусмотреть дополнительные средства защиты спального и рабочего мест. Это может быть просто изменение компоновки станции, чтобы люди были окружены как можно большим количеством оборудования. Например, сейчас в модуле «Звезда» условная «столовая» защищена от действия радиационных поясов почти в два раза лучше, чем рабочее место.

Можно установить и специальную дополнительную защиту. Тяжелые материалы типа свинца в качестве защитных не рассматриваются, т.к. дают сильную вторичную радиацию. Эффективными считаются водородсодержащие материалы, типа воды или полиэтилена. На МКС уже сейчас проходит эксперимент «Шторка защитная» где в качестве антирадиационной брони каюты космонавта используются… влажные салфетки.

Оказалось, что благодаря салфеткам радиационный фон в каюте сократился на 30%. Всем кто захочет поиронизировать над идеей прикрываться салфетками от радиации стоит учесть, что их суммарная масса была около 70 кг.

Еще один важный фактор, позволяющий немного снизить дозу на полярной орбите — это высота полёта станции, она будет примерно на 50 км ниже МКС, как в свое время летала станция «Мир».

Исследование ИМБП не касается выходов космонавтов в открытый космос. Оболочка скафандра значительно тоньше чем космической станции, но даже она сокращает дозу вдвое по сравнению с «голым» выходом. Вероятно, длительность внекорабельной деятельности на полярной орбите придется ограничить в полтора-два раза и внимательнее следить за солнечной активностью. Но в любом случае лететь можно!

Выражаю признательность за помощь в подготовке материала
Вячеславу Шуршакову (ИМБП РАН) и Давиду Парунакяну с Ильей Кудряшовым (НИИЯФ МГУ).

Подготовлено специально для блога компании RuVDS.

Чтобы не пропускать новые посты, подпишитесь на мои страницы:
в ЖЖ, Facebook, Вконтакте, Twitter.

Невидимый убийца из космоса

Но для полетов за пределы земной атмосферы этого недостаточно, потому что излучение намного опасней. Поэтому, так как человечество намеревается покорить Марс и Луну в ближайшие десятилетия, перед учеными стоит задача защитить будущих колонистов от радиации.

Основной способ защиты от радиации — это экранирование. Однако каждый тип радиации может быть остановлен различными материалами. Альфа-радиация состоит из тяжелых, положительно заряженных частиц, испускаемых атомами — таких элементов, как уран и радий. Альфа-излучение может быть полностью остановлено листом бумаги, резиновым костюмом, респиратором или даже слоем нашей кожи. Бета-излучение состоит из электронов и, обладая большей проникающей способностью, может проходить через 1-2 сантиметра воды. От такого излучения защитит лист алюминия толщиной в несколько миллиметров или оргстекло. Гамма-лучи могут быть остановлены только тяжелыми металлами, такими как свинец, вольфрам, чугун, сталь. Нейтронное излучение сможет поглотить толстый слой бетона, воды или парафина, полиэтилена и других полимеров.

В космосе для экранирования широко используются нефтехимические материалы, которые защищают от нейтронного излучения, так как содержат легкие атомы: углерод и водород. Полиэтилен, например, защищает от космического излучения лучше, чем алюминий, потому что в нем много водорода, а именно водород защищает от протонов, из которых на 85–99% и состоит галактическое и солнечное излучение. Российским ученым удалось совместить сверхвысокомолекулярный полиэтилен с изотопами бора-10, что делает его более устойчивым к воздействию быстрых нейтронов. Таким материалом можно будет покрывать скафандры космонавтов, а также использовать его в обшивке кораблей.

Помимо этого ведутся разработки перспективных материалов для изготовления самих космических кораблей. Сегодня в космической отрасли широко применяются различные композиционные материалы, состоящие из нескольких веществ, соединенных между собой, что придает им новые свойства. Их можно использовать в элементах конструкции кораблей в качестве замены металлам. Из углепластика, например, уже производят детали ракет. Углепластик ― это полимеры, армированные углеродным волокном с добавлением разных добавок в зависимости от целей использования. В основном это эпоксидные и фенольные смолы, которые наделяют изделия высокой прочностью, стойкостью к нагрузкам, стойкостью к воздействию высоких температур, электромагнитного излучения и радиации. При этом они существенно уменьшают вес летательных аппаратов, что в свою очередь снижает эксплуатационные затраты и расход топлива.

Иллюминаторы космических кораблей изготавливают из многослойного кварцевого стекла с покрытием из окиси индия или олова для улучшения светопропускания. Любые стекла при воздействии радиации и других излучений темнеют. Поэтому в изготовлении стекол для иллюминаторов также применяют добавки, которые позволяют нейтрализовать центры потемнения химическим образом.

Прививка от радиации

Одним из направлений исследований в борьбе с радиацией является повышение радиорезистентности самих космонавтов. Например, за счет изменения их ДНК. Все люди по-разному подвержены раку и другим заболеваниям, связанным с облучением. Ученые ищут способ выделить эти отличия и с помощью современных методов генной инженерии «привить» их космонавтам.

Есть несколько вариантов, какие гены нужно внести, чтобы повысить радиорезистентность. Во-первых, гены антиоксидантов помогут защитить клетки от активных форм кислорода, появляющихся в результате облучения. Несколько экспериментальных групп уже успешно попробовало снизить чувствительность к радиации с помощью таких трансгенов. Однако от прямого воздействия облучения этот способ не спасет, только от опосредованного.

Более перспективный метод ― это использование радиозащитных трансгенов. Многие организмы (например, тихоходки) обладают высокой степенью радиорезистентности, и если выяснить, какие гены и молекулярные механизмы за этим стоят, их можно перевести на людей с помощью генной терапии. Чтобы убить 50% тихоходок, нужна доза облучения в 1000 раз больше, чем смертельная для человека. Недавно был обнаружен белок, который предположительно является одним из факторов такой выносливости – так называемый супрессор повреждений Dsup. В эксперименте с клеточной линией человека оказалось, что введение гена Dsup уменьшает повреждения на 40%. Это делает ген перспективным кандидатом в защитники человека от радиации.

Как повысить радиорезистентность уже сейчас

Однако редактирование ДНК является довольно спорным в этическом плане и непредсказуемым методом. Изменение одного гена может привести к цепочке мутаций, последствия которых предугадать крайне сложно. К тому же, такие эксперименты могут занять долгие годы, а то и десятилетия.

Повысить радиорезистентность можно и более щадящими способами. Например, за счет использования химических препаратов или пищевых добавок, которые помогают снизить риск появления мутаций. Существует целый ряд химических соединений природного и синтетического происхождения, которые повышают радиорезистентность клеток или снижают последствия накопления свободных радикалов. Кроме того, в дальних космических перелетах космонавтам могут помочь геропротекторы – препараты, снижающие скорость старения. Они могут быть полезны, так как повреждения ДНК, происходящие во время процесса естественного старения, схожи с теми, которые вызывает радиация.

Сегодня многие ученые скептически относятся к тому, что кому-либо из людей удастся долететь живым хотя бы до Марса. Однако при современном уровне развития технологий, если будут предприняты все возможные меры защиты, можно надеяться, что такой полет все же станет осуществим.

как космическая радиация и галактические лучи «сводят с ума» электронику

Космос суров. Это безвоздушный вакуум. Температура в нем может колебаться от сотен градусов около Солнца до такого холода, от которого замедляется движение атомов. Для инженеров и ученых, проектирующих спутники и другие космические аппараты, поддержание их в рабочем состоянии на как можно более длительный срок часто является самой серьезной проблемой, кроме успешной работы после запуска.

Космические лучи — самое серьезное препятствие для путешествий человека в космос 

Космическая радиация

Космическая радиация — самое серьезное препятствие для путешествий человека в космос из-за пагубных последствий не только на живые организмы, но даже на электронику. Термин «космическая радиация» обычно относится к ионизирующему излучению или так называемым космическим лучам.

Космические лучи — это не совсем лучи, как можно было бы предположить, исходя из названия. Они представляют собой заряженные субатомные частицы, которые несут достаточно энергии, чтобы сбивать электроны с их атомной орбиты, ионизируя их (то есть, заряжая электрически).

Галактические космические лучи могут проходить сквозь все что угодно — не защитит даже экранирование

Большинство ионизирующих частиц исходят от нашего Солнца либо через постоянный поток, известный как солнечный ветер, либо в результате спорадических гигантских взрывов, называемых выбросами корональной массы. Эти вспышки могут высвободить количество энергии, равной взрыву тысячи атомных бомб, поэтому их радиоактивный эффект настолько разрушителен. Тем не менее самый опасный вид космической радиации — это галактические космические лучи.

Курс на галактические космические лучи

Галактические космические лучи — это частицы, содержащие в себе огромное количество энергии. Они несутся сквозь пространство практически со скоростью света от сверхновых, образующихся звезд или сверхмассивных черных дыр за пределами нашей галактики. Но ученые не совсем уверены в том, что именно заставляет эти частицы двигаться так далеко и так быстро.

В то время как методы экранирования могут помочь защитить людей и электронику от большей части солнечной радиации, галактические космические лучи способны проходить сквозь все что угодно: человеческую кожу, стены космического корабля или кремниевые чипы. Когда эти заряженные частицы проникают сквозь материю и сталкиваются с ней, они могут нарушить хрупкий баланс электронов внутри устройств и полупроводниковых схем, буквально «сводя их с ума».

«Физические эффекты, происходящие за миллиарды миль от нас, «играют в кости» с электроникой. Они могут превратить регистры процессора в генераторы случайных чисел», — рассказывает Рафал Грачик, научный сотрудник SnT, Междисциплинарного центра безопасности, надежности и доверия при Люксембургском университете.

Схема воздействия солнечной радиации и межгалактических лучей на Землю

Неудивительно, что космическим лучам удается создавать хаос в таких процессах, как спонтанное включение пожарной сигнализации на космической капсуле или прерывание связи на борту МКС.

Феномен битового сдвига

Космический луч может вызывать битовые перевороты таких технологий памяти, как RAM и NAND-флеш. Битовый переворот — это когда один или несколько битов теряют значение данных, меняясь с 0 на 1 или наоборот. Всего один перевернутый бит может сделать весь набор данных непригодным для использования. Поэтому современная электроника должна быть надежно защищена от разрушительного воздействия космических лучей.

«Временные перевороты битов — известное явление, вызывающее сложности в отрасли, особенно на автомобильном рынке. В 2009 году даже произошел случай, когда космические лучи были виновником «залипания» педали акселератора и последующей отзывной кампании девяти миллионов автомобилей. Именно поэтому наш производитель электроники выпускает ряд устройств, предлагающих аппаратную защиту встроенного SRAM от переворота битов для флеш-хранилищ eMMC и UFS», — объясняет Рая Козлов, директор по работе с клиентами в Western Digital и глобальный эксперт по качеству и надежности продуктов на основе флеш-памяти.

Новая космическая эра

С появлением частных компаний и полетов, финансируемых миллиардерами, запуски в космос стали обычным явлением. Тем не менее, чтобы противостоять космическим опасностям, нужно гораздо больше, чем просто ракетостроение. По мере того как с нашей планеты отправляется все больше миссий, нужны все более надежные хранилища данных и памяти, чтобы избежать утечки информации в космос.

Напомним, что в октябре 2021 года на Солнце произошла мощнейшая вспышка по направлению к Земле, которая могла повредить спутники на орбите.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine

галактика Земля Солнечная активность солнечная вспышка

Радиация в полёте на Марс

Часто можно встретить суждения, что полёт на Марс опасен или невозможен из-за космической радиации. Это даже стало темой для шуток, но подобное продолжают высказывать вполне авторитетные люди, от космонавтов до президентов. В то же время данные опасения не останавливают мечтателей, желающих построить марсианскую ракету или планирующих переезд. Что же нам известно о радиационной опасности марсианских полётов?

На сегодня имеется крайне ограниченный опыт пилотируемых полётов людей в межпланетном пространстве. Только двадцать четыре человека совершали экспедиции за пределы земной магнитосферы в программе Apollo, но длительностью не более двух недель. На Марс же лететь около полугода в одну сторону. Поэтому сегодня источником знаний о радиационных угрозах у других планет выступают исследования на борту околоземной Международной космической станции, немногочисленная статистика лунных полётов, дозиметрические измерения на межпланетных зондах, наземные эксперименты на животных и оценки по математическим моделям.

Кратко о космической радиации

Радиацией называют ионизирующее излучение, которое в космосе испускается во время событий, связанных с выделением энергии: процессы на Солнце, взрывы сверхновых, аккреционные диски черных дыр, выбросы квазаров… По физическим свойствам радиацию можно разделить на фотонное излучение — рентген и гамма-лучи; и корпускулярное излучение — электроны, протоны, альфа-частицы, тяжелые заряженные частицы, вторичные нейтроны. По источнику, космическое излучение разделяется на солнечное и галактическое (включая внегалактическое).

Разделение этих типов излучения крайне важно для понимания специфики межпланетных полётов. Например, в земной атомной энергетике приходится учитывать прежде всего гамма и нейтронное излучение. В космосе же гамма незначительна, а нейтроны возникают только от взаимодействия космических лучей с атмосферой, грунтом или корпусом корабля. Зато в открытом космосе наиболее опасными частицами оказываются протоны (ядра атома водорода), альфа (ядра атома гелия) и ядра атомов более тяжелых элементов.

У Земли есть ещё радиационные пояса, но стартующий на межпланетные орбиты корабль пересекает наиболее опасную их часть всего за полчаса, поэтому в контексте длительных полётов ими можно пренебречь. Про сами радпояса уже рассказывалось ранее.

При оценке радиационного воздействия сейчас обычно оперируют двумя единицами: в греях измеряется энергия поглощенного излучения, а в зивертах — биологический эквивалент этого излучения. Разница между ними в факторе, имеющем прекрасное название «коэффициент качества». Он означает насколько пагубное для организма воздействие оказывает радиация. Для примера, одинаковая в греях доза гамма излучения и нейтронного излучения в зивертах будет различаться до двадцати раз — нейтроны намного опаснее, т.е. выше их коэффициент качества.

Откуда мы знаем о межпланетной радиации?

В космонавтике применяется несколько разных методов регистрации радиации, одни показывают фон в реальном времени, а другие накапливают воздействие и позволяют оценить суммарную дозу. Например советские лунные «Зонды» несли на борту т.н. «ядерные фотоэмульсии» — чувствительную к радиации фотопленку, проявление которой позволяло оценить дозу, накопленную внутри спускаемого аппарата корабля.

Астронавты Apollo носили на теле активные дозиметры на основе газоразрядной камеры, и пассивные термолюминесцентные и полимерные детекторы.

Сейчас на МКС и лунных аппаратах чаще всего запускают полупроводниковые кремниевые детекторы.

Радиацию у Луны и на Луне принялись изучать ещё до пилотируемых полётов. Так, первая успешно севшая автоматическая станция «Луна-9» несла на борту счетчик Гейгера, орбитальная «Луна-10» также несла несколько детекторов для разных типов излучения. Американцы тщательно регистрировали радиационные условия по пути на Луну и возле неё в 1966-67 гг в многомесячных наблюдениях на пяти аппаратах Lunar Orbiter.

Дозиметрические исследования велись и на орбитальных аппаратах нашего века. Индийцы считали дозу болгарским дозиметром на аппарате Chandrayaan 1 в 2008 году. NASA пять лет собирала данные дозиметром на аппарате LRO. Год назад свои результаты с поверхности Луны опубликовали и китайцы.

По пути на Марс и около него космическое излучение изучалось американским прибором RAD на марсоходе Curiosity, и российско-болгарским прибором на европейском орбитальном зонде ExoMars.

Ещё дальше залетела автоматическая межпланетная станция Rosetta. Она пролетала и рядом с Марсом и улетала до орбиты Юпитера, в своей погоне за кометой 67P Чурюмова-Герасименко.

Какова доза в межпланетном пространстве?

Данные с вышеперечисленных аппаратов я свел в общую таблицу. Указанная толщина экранирования в пересчете на алюминий — это усредненное значение. Так, на ExoMars детектор с одной стороны прикрывает пара миллиметров алюминия, а с другой — пара метров всего четырехтонного зонда. У Curiosity немного лучше — он летел в аэродинамическом кожухе, который по своим экранирующим свойствам не сильно отличается от пилотируемых кораблей современного типа.

Суточные показания в таблице тоже усредненные, например, повышенная, по сравнению с остальными, доза экипажа Apollo — это результат неоднократного пересечения радиационных поясов Земли. Данные по «Зондам» брались из двух источников где они отличаются в несколько раз. Во всех остальных случаях, американские результаты не противоречат измерениям приборов других стран, что делает безосновательными подозрения сторонников лунного заговора о недостоверных показаниях в программе Apollo.

В целом, грубое приближение, без учета колебаний фона из-за солнечной активности, позволяет утверждать, что средняя доза в межпланетном пространстве составляет около 0,5 миллигрей в сутки. В биологическом эквиваленте это около 2 миллизиверт. Примерно столько средний житель России получает за полгода, а экипаж Международной космической станции за 3-4 дня. Высоко, но не смертельно.

Специалисты Института медико-биологических проблем РАН оценили суммарную дозу при полёте на Марс туда-обратно менее чем в 0,7 зиверт за 350 суток. По современным требованиям радиационной безопасности для российских космонавтов, за всю их карьеру допустимо накопление дозы 1 зиверт, что на 3% повышает риск онкологических заболеваний в течение жизни. Получается, что с точки зрения радиационной безопасности на Марс можно слетать и вернуться только один раз.

Для примера, космонавт Геннадий Падалка, налетал на МКС 878 суток, и, с точки зрения радиационного воздействия, слетал на Марс и возвращается домой.

Доза же на поверхности Марса — это тема для отдельного разбора.

Поскольку эффекты длительного воздействия межпланетной радиации на людей не изучались, некоторые ученые тренируются на мышах и крысах. Однако к их результатам нужно относиться осторожно, важна корректность поставленного опыта. Несколько лет назад была новость о том, что аналог космической радиации повредил мозги мышей и они поглупели. Если же углубиться в детали, то окажется, что мышкам жарили мозги по 1 миллигрей в день (то есть в два раза выше чем показывают дозиметры в космосе) и исключительно нейтронами (у которых коэффициент качества в 5 раз выше чем у космического фона). В результате подопытные животные получали дозу в десять раз больше чем ожидается в пилотируемой экспедиции.

Данные по смертности участников лунных полётов показывают повышенный процент смертей от сердечно-сосудистых заболеваний, по сравнению с околоземными астронавтами. Но пока для далеко идущих выводов слишком малая выборка (семь случаев), и рано говорить о прямой угрозе межпланетной среды. Хотя эксперименты на мышах также показали, что сочетание имитации невесомости и облучения тяжелыми заряженными частицами способно нанести вред сердечно-сосудистой системе.

Можно ли защититься от космической радиации?

Вспомним, у нас есть два типа радиации: солнечная и галактическая. Хотя состав этих космических лучей примерно одинаковый — протоны, алфа, и тяжелые ядра — но они отличаются количеством и энергией. Солнечных заряженных частиц больше, но их энергия ниже, и эта разница определяет разницу в средствах защиты.

Существует распространенный стереотип, что главная опасность в космосе от солнечных вспышек. Но если изучить данные измерений Curiosity, LRO и Rosetta за пределами околоземного магнитного поля, то окажется, что в суммарной накопленной дозе космических аппаратов вклад солнечных вспышек не превышает 25%. Вместе эти три аппарата пробыли в космосе более 15 лет, то есть статистика собрана немалая, однако ни один из них не попадал под мощную солнечную вспышку, которые бывают примерно раз в 10 лет, вроде случившейся 4 августа 1972 года. По результатам моделирования, такая вспышка способна дать экипажу до 4 зиверт за несколько дней, а это лучевая болезнь с риском смертельного исхода (хотя такая доза считалась допустимой для экипажей Apollo). Правда в моделировании 4 зиверта насчитали для содержимого алюминиевой сферы толщиной 2 см, а в среднем полностью снаряженный космический корабль, типа командного модуля Apollo или российского модуля МКС «Звезда», экранирует примерно как 10 см алюминия, что снизило бы дозу в несколько раз.

Солнечные вспышки опасны, но от них можно защититься. Мы это знаем благодаря автоматической межпланетной станции Rosetta. У неё на борту было два дозиметра, один на солнечной стороне, второй на теневой. Когда в зонд прилетела мощная солнечная вспышка, то облучение освещенного прибора значительно возросло, теневой же показал лишь незначительный флуктуации.

Внимательное наблюдение за Солнцем позволяет предсказывать наиболее опасные вспышки — солнечные протонные события — примерно за несколько минут. Их должно хватить, чтобы сориентировать летящий марсианский корабль «хвостом» к Солнцу, и защитить экипаж. Гораздо опаснее мощные вспышки во время выхода в открытый космос, и тут служба наблюдения за космической погодой оказывается жизненно важна.

Несмотря на серьезную опасность мощных солнечных вспышек, в межпланетных перелётах они — не главная проблема. Основной радиационный вред в во время полёта на Марс исходит от галактических космических лучей, и рукотворной защиты от них нет. Они способны прошивать хоть 10 см, хоть 50 см алюминия, и летят со всех сторон, поэтому прикрыться кораблём не получится. И здесь единственная наша подмога — это солнечные вспышки! Точнее солнечный ветер — низкоскоростные потоки солнечных заряженных частиц, которые несут с собой магнитные поля, от центра Солнечной системы к гелиопаузе, туда где заканчивается межпланетное пространство и начинается межзвездное.

Ещё в докосмическую эру, регистрируя потоки вторичных заряженных частиц в атмосфере Земли, ученые заметили, что их интенсивность падает в периоды высокой солнечной активности. Оказалось солнечные выбросы заряженных частиц и магнитных полей тормозят и рассеивают галактические лучи. Это явление назвали солнечная модуляция галактических космических лучей, а кратковременное падение интенсивности галактического излучения во время солнечных вспышек — «Форбуш-эффект». Разница межпланетного радиационного фона, в зависимости от солнечной активности меняется в два-три раза: в солнечный максимум самая низкая доза. Измерения Curiosity и ExoMars велись примерно на середине этого цикла, а на Луну люди летали в период более высокой активности Солнца.

Суммируя все данные теперь понятно, чтобы обеспечить максимально радиационно безопасный перелёт до Марса нужно соблюсти несколько условий:
— сократить насколько возможно длительность перелёта;
— лететь в период максимума солнечного цикла;
— развернуться двигательным отсеком и топливными баками в сторону Солнца;
— обложиться оборудованием, запасами продуктов и воды вокруг жилых отсеков.

Но даже без этих всех ухищрений, можно один раз слетать на Марс и вернуться, оставаясь в допустимых пределах облучения для современных космонавтов.

zelenyikot

Ваша поддержка поможет в подготовке новых постов!
Подпишитесь на Patreon или отечественный аналог «Спонср» и я смогу больше рассказывать о космосе.

Tags: Марс, космический корабль, планетология, радиация

Испытатель раскрыл, как космонавты спасаются от радиации

Испытатель раскрыл, как космонавты спасаются от радиации

НОВОСТИ ЧАСА

Конституционный комитет Совфеда рекомендовал одобрить законы о новых территорияхВ России зафиксировали падение на 94% онлайн-оборота доставки продуктовБолее 70 тысяч запросов на запись в добровольцы зафиксировано на портале ГосуслугДве трети россиян поддерживают решение о частичной мобилизации, но уверены, что она их не затронетАвтозавод «Москвич» откроет дилерские центры в 23 городах России

НСН

в эфире трёх радиостанций

Станция «Наше радио» 101,7 FM

НСН

в эфире трёх радиостанций

Станция Jazz FM 89,1 FM

НСН

в эфире трёх радиостанций

Станция Rock FM 95,2 FM

USD

57. 57

EUR

54.4

Рубрики
Сюжеты
Теги
Пресс-центр

Кривая Линия

Все новости

Расследования
Политика
Экономика Москвы
Общество
Экономика
В мире
Культура
Спорт
Происшествия
Бизнес и финансы
Наука и технологии
Недвижимость
Здоровье
Туризм
Музыка
Авиация и космос
Армия и флот
Регионы России
Интервью
Украина
Разное
Спецпроекты
Новости компаний

Авиация и космос

28 мая 202119:39

Любовь Миронова

Важный фактор — относительная близость Земли, которая «гасит» радиацию своим геомагнитным полем, рассказал Сергей Нефедов.

Самые высокие дозы радиации сосредотачиваются в каютах для сна — они на 40% выше, чем в других отсеках, заявили специалисты. Космонавт-испытатель Сергей Нефедов рассказал Telegram-каналу «Радиоточка НСН», что радиация в космосе — действительно большая проблема, но космонавтов спасает близость к Земле.

«Радиация бывает разная: земная, космическая, солнечная, галактическая. Все эти виды опасны для любого живого существа. На корабле космонавту обязательно нужно обеспечить безопасность. Хорошая новость в том, что Земля сдерживает большую часть радиации, поскольку обладает геомагнитным полем. Наши космические корабли летают не очень высоко от Земли, например, 400-450 километров. Планета гасит некую космическую радиацию, которая поступает на сам космический аппарат. Это, конечно, маловато»,- отметил космонавт-испытатель.

По мнению Нефедова, в разных зонах летательного аппарата уровень радиации отличается. В спальных местах космонавтов излучение больше за счет того, что они расположены близко к самой обшивке корабля.

«Самый лучший способ защиты от радиации – полиэтилен и вода. У ребят есть особая технология. Они делают настил из полиэтиленовых пакетов и влажных гигиенических салфеток, который располагается прямо под местом отдыха космонавта. Это максимальная защита, которую можно обеспечить. Аппарат летает в зоне небольших космических излучений, и уровень радиации в каждой точке полета постоянно отслеживается. Если что – дается немедленно аварийная команда и экипаж собирается в одной точке корабля», — уверен Нефедов.

Ранее стало известно, что на новой космической станции хотят сделать защиту от радиации.

Подписывайтесь на НСН: Я.Новости | Я.Дзен | Google News | Flipboard | Telegram

ФОТО: РИА Новости

ТЕГИ:Космос

Получайте свежие материалы на почту

Мы будем регулярно отправлять вам актуальные эксклюзивы и новости! Отписка доступна в письме

Горячие новости

    Коронавирус

    • Заразились

      21,1 млн

      +24 158 / сут.

    • Умерли

      388 тыс.

      +91 / сут.

    • Выздоровели

      20,2 млн

      +35 294 / сут.

    Источники данных:

    Роспотребнадзор, ВОЗ, mos.ru

    3 октября 2022

  • МИД дал уехавшим за границу жителям новых регионов месяц на выбор гражданства

  • МВД Казахстана сообщило о прибытии 200 тыс. россиян с начала мобилизации

  • СМИ: Типографии в России могут остановиться из-за дефицита оборудования

  • Конституционный комитет Совфеда поддержал законы о присоединении новых регионов к России

  • В России впервые в истории снизился мобильный интернет-трафик

  • Пушков рассказал об основах российской идеологии

  • Чернышенко: Более 70 тысяч россиян захотели записаться в добровольцы в рамках СВО

  • «В трубку не рыдал, прощения не просил»: Ургант опроверг слова Потапа о разговоре после начала СВО

  • Автозавод «Москвич» откроет дилерские центры в 23 городах России

  • Илона Маска пригласили посетить Крым

Все новости

партнеры

К сожалению, браузер, которым вы пользуйтесь, устарел и не позволяет корректно отображать сайт. Пожалуйста, установите любой из современных браузеров, например:

Google ChromeFirefoxSafari

новых пределов космической радиации, необходимых для астронавтов НАСА, говорится в отчете «на станции». Каждый вернулся на Землю со слегка атрофированными мышцами и другими пагубными физиологическими последствиями длительного пребывания в условиях почти нулевой гравитации. Но другая, более коварная опасность подстерегает космонавтов, особенно тех, кто отправляется за пределы низкой околоземной орбиты.

Космос наполнен невидимым, но вредным излучением, большая часть которого исходит от энергичных частиц, выбрасываемых Солнцем, или от космических лучей, возникающих в результате экстремальных астрофизических явлений во Вселенной. Такое излучение может повредить ДНК организма и другие тонкие клеточные механизмы. И ущерб увеличивается пропорционально воздействию, которое значительно выше за пределами защитного кокона земной атмосферы и магнитного поля (например, во время предполагаемых полетов на Луну или Марс). Со временем накопленное клеточное повреждение значительно повышает риск развития рака.

Чтобы исправить ситуацию, по запросу НАСА группа ведущих ученых, организованная Национальными академиями наук, инженерии и медицины, опубликовала в июне отчет, в котором космическому агентству рекомендуется принять максимальное ограничение на всю карьеру в 600 миллизивертов для космическую радиацию космонавты могут получать. Зиверт — это единица, которая измеряет количество радиации, поглощенной человеком, с учетом типа радиации и ее воздействия на определенные органы и ткани в организме и эквивалентна одному джоулю энергии на килограмм массы. Ученые обычно используют меньшее (но все же довольно значительное) количество миллизивертов, или 0,001 зиверта. Бананы, например, содержат небольшое количество встречающихся в природе радиоактивных изотопов, но чтобы проглотить количество миллизиверта, нужно съесть 10 000 бананов за пару часов.

Каждый действующий член отряда астронавтов НАСА получил менее 600 миллизивертов во время своего пребывания на орбите, а большинство, включая Коха, получили гораздо меньше и, таким образом, могут безопасно вернуться в космос. Но год на МКС все равно подвергает их большему облучению, чем испытали жители Японии, жившие вблизи ядерной аварии на Фукусима-дайити в 2011 году.

«Все планируют поездки на Луну и Марс», и эти миссии могли иметь «Высокое радиационное облучение», — говорит Хедвиг Хричак, ведущий автор доклада и радиолог из Мемориального онкологического центра имени Слоуна-Кеттеринга в Нью-Йорке. По ее словам, с использованием современных технологий, проверенных космическими полетами, дальние путешествия, особенно на Красную планету, превысят предложенный порог.

Это может стать большой проблемой для программы NASA Artemis, целью которой является отправка астронавтов на Луну для подготовки к будущим полетам на Марс. Еще одна проблема для космического агентства заключается в том, что эпидемиологические данные, которые оно использует, в основном получены из исследований долголетия японцев, переживших взрывы атомных бомб, а также от горстки астронавтов и космонавтов, которые провели много месяцев или даже лет на низкой околоземной орбите. . Текущий лимит космического излучения НАСА, который был разработан в 2014 году, включает в себя сложную оценку риска смертности от рака, которая зависит от возраста и пола, но необходимы более актуальные данные, утверждает Хричак. Например, в исследовании, посвященном выжившим после атомной бомбардировки, у женщин чаще развивался рак легких, чем у мужчин, что свидетельствует о большей уязвимости по признаку пола к вредному излучению. «Но со знаниями, которые у нас есть в настоящее время, мы понимаем, что не можем провести сравнение между высоким воздействием и хроническим воздействием», — говорит Хричак. «Среда другая. Есть так много разных факторов».

НАСА хочет обновить свои стандарты сейчас, потому что агентство находится на пороге отправки такого количества астронавтов далеко за пределы низкой околоземной орбиты, где большее количество космической радиации, похоже, обречено на превышение ранее установленных пределов воздействия. Кроме того, говорит Хричак, наличие единого универсального предела радиации для всех космических путешественников выгодно с точки зрения эксплуатации из-за его простоты. Универсальный лимит также можно рассматривать как благо для женщин-астронавтов, у которых был более низкий лимит, чем у мужчин в старой системе, и поэтому им было запрещено проводить в космосе столько же дней, сколько их коллегам-мужчинам.

Новый предел радиации, предложенный Хрицак и ее командой, связан с риском для всех органов 35-летней женщины — демографической группы, которая считается наиболее уязвимой в свете гендерных различий в данных о выживших после атомной бомбардировки и того факта, что более молодые люди подвергаются более высокому радиационному риску, отчасти потому, что у них больше времени для развития рака. Цель максимального радиационного максимума состоит в том, чтобы удержать человека ниже 3-процентного риска смертности от рака: другими словами, при таком пределе радиации ожидается, что не более трех из 100 астронавтов умрут от рака, вызванного радиацией, в течение их жизни.

«НАСА использует стандарты для установления пределов воздействия в космическом полете, чтобы защитить здоровье и работоспособность астронавтов НАСА, как во время миссии, так и после нее», — говорит Дэйв Франциско из Управления главного санитарно-медицинского управления НАСА. Он признает, что, хотя астронавты в марсианских миссиях выиграют от разреженной марсианской атмосферы, которая обеспечивает некоторую ограниченную защиту, «транзит в глубоком космосе имеет самые высокие уровни воздействия».

Это означает, что дальние космические путешествия сопряжены с самыми большими рисками. Пребывание на поверхности Луны в течение шести или более месяцев — при условии, конечно, что астронавты в конце концов окажутся там и не будут проводить большую часть своего времени в подземных средах обитания, — потребует около 200 миллизивертов облучения, что больше, чем длительное время. посещение МКС. А астронавт, отправляющийся на Марс, подвергнется еще большему облучению. Достигли ли они Красной планеты через лунную остановку или прямым космическим полетом, они могли подвергнуться значительному радиационному облучению в пути. Еще до того, как они отправились домой, они могли уже превысить лимит в 600 миллизивертов. Весь рейс, который, вероятно, продлится пару лет, может потребовать более 1000 миллизивертов. Так что, если астронавты, а не только роботы, будут отправлены на Марс, НАСА, вероятно, придется запросить для них отказ, говорит Хричак, хотя точный процесс получения отказа еще не изложен.

Предложение отчета о новом максимуме радиации не лишено критики. «Для миссии на Марс 35-летняя женщина прямо на этом пределе может иметь более 10-процентный шанс умереть через 15-20 лет. Для меня это все равно, что играть с экипажем в русскую рулетку», — говорит Фрэнсис Кучинотта, физик из Университета Невады в Лас-Вегасе и бывший сотрудник радиационной безопасности НАСА. Несмотря на предполагаемые преимущества новых ограничений для женщин-астронавтов, он обеспокоен тем, что риски особенно заметны для молодых женщин в космосе.

Наоборот, говорит Хричак, в своем запросе на новые ограничения НАСА стремилось быть консервативным. Европейское, канадское и российское космические агентства в настоящее время имеют более высокую максимально допустимую дозу в 1000 миллизивертов, в то время как ограничение Японии зависит от возраста и пола, как и нынешнее ограничение НАСА, в основном из-за общей зависимости от данных о выживших после атомной бомбардировки.

Но в отличие от человека, находящегося поблизости от ядерного взрыва, риск для астронавта, подвергшегося воздействию космического излучения, носит долгосрочный, а не немедленный характер. Без надлежащей защиты (которая, как правило, довольно тяжелая и, следовательно, непомерно дорогая для запуска) их шансы заболеть раком, а также сердечно-сосудистыми заболеваниями, катарактой и повреждением центральной нервной системы немного увеличиваются с каждым днем, когда они находятся в космосе. В клетках человека космическое излучение может разорвать обе нити двойной спирали молекулы ДНК. И хотя несколько таких случаев могут сопровождаться очень ограниченным риском, каждый дополнительный разрыв повышает вероятность развития вредной мутации, которая может вызвать рак.

Однако, к счастью, в организме есть способы восстановления некоторых видов повреждений ДНК, и можно изучать восстановление ДНК в космосе, как показало новое исследование, опубликованное в журнале PLOS ONE в конце июня.

«В ходе этого эксперимента было применено множество методов, которые никогда раньше не применялись в очень сложных условиях Международной космической станции», — говорит Себастьян Крейвес, соучредитель студенческого конкурса «Гены в космосе», в рамках которого проводилось исследование. и соавтор исследования. Используя дрожжевые клетки на борту МКС, Кох сама провела эксперимент, который может стать предвестником будущих попыток тщательного мониторинга повреждений ДНК и восстановления клеток у астронавтов.

В дополнение к медицинским технологиям, скорее всего, будут развиваться двигательные установки и экраны для защиты от космической радиации. Частицы, вылетающие из Солнца, например, могут быть заблокированы несколькими сантиметрами алюминия или других материалов, хотя астронавты вне своего космического корабля или вне будущих лунных или марсианских структур будут уязвимы. И их нельзя так же легко защитить от более энергичных источников космического излучения, таких как тяжелые ионы, исходящие от далеких взрывающихся звезд.

В любом случае, учитывая, как мало известно о различных рисках для здоровья от различных видов космической радиации по сравнению с радиацией, с которой мы знакомы на Земле, исследователи, несомненно, продолжат подобные исследования, чтобы максимально защитить астронавтов. «Я могу точно сказать, какое облучение вы получите при компьютерной томографии, — говорит Хричак, — но с космическим излучением связано много неопределенностей».

ОБ АВТОРЕ(АХ)

    Рамин Скибба — научный писатель из Сан-Диего, Калифорния. Его можно найти на raminskibba.net. Следите за Ramin Skibba в Twitter

    ESA — Радиация и жизнь

    Наука и исследования

    11643 просмотра
    15 лайков

    Астронавты и космонавты, посещающие Международную космическую станцию ​​(МКС), вращаются вокруг Земли на высоте около 400 км и поэтому не защищены земной атмосферой. Фактически, в какой-то момент своей орбиты вокруг Земли, недалеко от восточного побережья Южной Америки, МКС проходит через оконечность внутреннего пояса Ван Аллена.

    В этот момент уровень радиации вокруг МКС увеличивается примерно в 30 раз. Всего за одну неделю на МКС астронавты подвергаются воздействию, эквивалентному одному году облучения на Земле.

    После миссий «Аполлон» на Луну в 1960-х и 1970-х годах астронавты сообщали о любопытных «вспышках света», даже когда их глаза были закрыты. Считается, что это вызвано космическими лучами, проходящими через глаз и либо вызывающими вспышку света в глазу, либо запускающими нервную реакцию в сетчатке. Этот эффект сейчас является предметом эксперимента ALTEA с участием астронавтов ЕКА на борту МКС.

    Кристер Фуглесанг в шлеме ALTEA.

    Что такое АЛТЕА?

    Эксперимент ALTEA (Аномальные долговременные эффекты в центральной нервной системе астронавтов) был разработан Итальянским космическим агентством (ASI) в сотрудничестве с научной группой под руководством профессора Л. Наричи из Университета Тор Вергата в Риме. Эксперимент был проведен шведским астронавтом Кристером Фуглесангом во время его миссии Цельсия на борту МКС в декабре 2006 года. 0005

    Что он делает?

    Часть эксперимента ALTEA состоит из шлема для астронавтов, содержащего шесть детекторов частиц, которые могут отображать космические лучи, проходящие через голову астронавта. Когда космонавт видит вспышку, он или она нажимает кнопку, и оборудование снимает электроэнцефалограмму (ЭЭГ), которая записывает активность мозга космонавта, любые космические лучи, проходящие через мозг или глаза космонавта, а также информацию о пути, энергии и типе частицы. т. е. протон, тяжелый ион и т. д.

    Астронавт ЕКА Кристер Фуглесанг

    Что значит для нас ALTEA?

    Мы до сих пор не знаем, означает ли вспышка повреждение клеток сетчатки или даже мозга. ALTEA попытается ответить на эти вопросы. Это также поможет контролировать уровни космических лучей на борту МКС в целом, даже когда шлем Altea не надет.

    Это жизненно важно, если мы хотим оценить уровень риска для астронавтов, путешествующих на МКС на низкой околоземной орбите, а также для будущих полетов человека на Луну и Марс.

    ALTEA также может помочь нам лучше понять работу глаза и его связи с мозгом; знания, которые могут помочь в разработке более эффективных методов лечения.

    Биологические/физиологические эффекты радиации

    В фантастическом фильме «Фантастическая четверка» герои обретают сверхспособности после воздействия космических лучей во время научной космической миссии. К сожалению, это не повлияет на наш организм, так как ионизирующее излучение повреждает наши клетки.

    Как ионизирующая волна, так и излучение частиц могут выбивать электроны из атомов и молекул. Затем они химически реагируют с другими атомами и молекулами внутри клетки, и химические изменения в клетке могут иметь как краткосрочные, так и долгосрочные последствия.

    Когда наши тела подвергаются воздействию ионизирующего излучения, такого как рентгеновские лучи, мы должны носить защитную свинцовую одежду. Это особенно необходимо для тех, кто работает с радиоактивными веществами. Однако для некоторых типов излучения, таких как космические лучи, свинец был бы плохим выбором, поскольку он вызывал бы поток вторичных частиц.

    При этом очень низкие уровни радиации не оказывают никакого влияния на наш организм, и мы все время живем с низкими уровнями радиации. При несколько более высоких уровнях радиации клетки могут обнаруживать повреждения своей ДНК и инициировать самовосстановление.

    На еще более высоких уровнях повреждение ДНК не может быть исправлено; это называется мутацией и передается любым клеткам, полученным из этой клетки. Одним из возможных последствий этого является рак.

    Образцы крови космонавтов будут сравнивать до и после полета в космос

    Если повреждение, вызванное радиацией, достаточно велико, клетка обнаружит изменение и подвергнется запрограммированной клеточной гибели, называемой «апоптозом». Это происходит для предотвращения размножения поврежденной клетки и последующего возникновения проблем. Это совершенно естественно и постоянно происходит в нашем организме.

    Радиация становится проблемой, когда доза достаточно высока, чтобы убить множество клеток одновременно. Больше всего пострадают легко повреждаемые клетки, такие как клетки слизистой оболочки кишечника, волосяные фолликулы или костный мозг, которые производят лейкоциты как часть иммунной системы. Это может привести к повреждению иммунной системы пострадавшего, выпадению волос, сильной диарее и кровотечению; все симптомы острого радиационного отравления.

    Эти эффекты также наблюдались у людей, которым не повезло попасть в аварию при обращении с сильными радиоактивными источниками. Однако большая часть наших знаний получена в результате изучения выживших после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки.

    Длительный космический полет

    У астронавтов, выполняющих миссии за пределами земной орбиты, есть две особые проблемы. Во-первых, космонавты окажутся вне защиты как атмосферы Земли, так и ее магнитного поля. Это означает, что общий уровень радиации будет намного выше, чем на борту МКС, которая находится на орбите в 400 км над Землей. Всего за несколько дней астронавт, отправляющийся на Марс, получит эквивалент радиационного облучения в течение года здесь, на Земле.

    Во-вторых, уровень активности Солнца непостоянен. Он может производить импульс протонов и электронов высокой энергии, называемый солнечной вспышкой. Если они находятся в направлении космического корабля, несущего астронавтов на Марс, астронавтам придется отступить в специально спроектированное убежище, встроенное в космический корабль, иначе уровни радиации будут смертельными.

    На МКС астронавты носят дозиметры, чтобы вести учет количества облучения, которому они подвергаются.

    Впечатление художника от базы на Марсе

    А снаружи?

    Даже когда астронавты доберутся до места назначения, будь то Марс или Луна, им все равно придется строить убежище, так как атмосферы будет мало или совсем не будет, а магнитные поля будут очень слабыми. Это означает, что риск радиации будет почти таким же большим на поверхности, как и в космосе.

    Исследуются многочисленные варианты, и один из самых простых предполагает раскопки астронавтами жилого помещения под поверхностью.

    Эксперимент ALTEA станет особенно важным с увеличением времени, которое люди проводят на МКС, а также с планами полетов на Луну и Марс.

    Космическая радиация существует, но мы можем найти способы с ней жить!

    Спасибо за лайк

    Вам уже понравилась эта страница, вы можете поставить лайк только один раз!

    Нам нужно поговорить о радиации в космосе

    Убежать от всего этого: пройти дальше и дальше в поисках расслабления. Космические отели обещают извлечь выгоду из предельной мечты. Но на орбите есть слон, и никто об этом не говорит.

    «В последнее время мы видели много отличных концептуальных проектов орбитальных отелей, — говорит доктор Иван Корнелиус. «Но никто из них, кажется, не беспокоится о радиации».

    Корнелиус является управляющим директором Amentum Scientific, австралийской компании по прогнозному научному моделированию, которая количественно оценивает риски радиационного облучения для авиационной, транспортной, горнодобывающей и космической промышленности.

    «Думаю, болеть в космосе нехорошо», — шутит бывший радиационный работник. «Это долгий путь к местному врачу общей практики и в отделение неотложной помощи».

    Радиационное облучение беспокоило НАСА с первых дней его космических программ. Вот почему на Международной космической станции (МКС) есть крошечный бункер, окруженный водой и оборудованием, где астронавты могут укрыться на корточках.

    «Одна вещь, которую вы заметите во всех этих концептуальных схемах космических отелей, это то, что информации о радиационном убежище не так много».

    «Одна вещь, которую вы заметите во всех этих концептуальных схемах космических отелей, — это не так много информации о радиационном убежище», — отмечает Корнелиус.

    Прогнозирование космической погоды находится в зачаточном состоянии: подумайте о солнечных бурях, фоновом космическом излучении и о высыпаниях релятивистских электронов.

    Дозорный зонд находится на полпути между Землей и Солнцем. Когда он чувствует мелькание заряженных частиц, он подает сигнал тревоги. Уведомление, которое он дает, варьируется от дней до часов и даже минут.

    «Если мы говорим о переполненном отеле в космосе, куда они пойдут?» — спрашивает Корнелиус. «Сколько времени потребуется, чтобы добраться туда? Все ли имеют доступ к приюту, включая персонал? Не знаю, продумывается ли это».

    Солнечные явления — не единственный источник космической радиации.

    «На самом деле мы мало что об этом знаем, — говорит Корнелиус. «Поэтому нам нужно обработать цифры, чтобы понять риски».

    Переоблучение

    Компания Amentum Scientific предлагает модели риска радиационного облучения для военных и коммерческих пилотов. Это удивительно нерегулируемое пространство.

    «Таким образом, в Европе нормативным требованием является контроль облучения пилотов и членов экипажа», — говорит Корнелиус. «Оказавшись за пределами ЕС, это волшебным образом не проблема. Никто не хочет об этом знать».

    Пилоты и бортпроводники получают более высокую дозу радиационного фона, чем работники атомной энергетики и операторы больничного оборудования. Но, как указывает Корнелиус, вероятность того, что экипаж самолета случайно подвергнется воздействию радиации высокого уровня, очень мала.

    Первый в мире космический отель планируется открыть в 2027 году.

    Космическая станция класса «Вояджер» сможет принять до 400 гостей.

    Помимо спален, согласно планам амбициозного проекта, здесь будут бары, рестораны и даже тренажерный зал. pic.twitter.com/Qjw6gnOWRc

    — My Mixtapez (@mymixtapez) 2 марта 2021 г.

    Очень мало космической погоды проникает в нашу атмосферу. Но этого достаточно, чтобы изменить ситуацию.

    «Есть несколько клинических исследований, показывающих слегка повышенную заболеваемость раком у пилотов, — говорит Корнелиус, — но они странные, например, меланомы в тех областях тела, которые вы не ожидаете, исходя из пребывания на солнце. Это указывает на то, что это рентгеновский снимок или что-то еще, способное проникнуть сквозь кожу и одежду самолета».

    Даже защищенные магнитосферой Земли, астронавты на низкой околоземной орбите подвергаются еще большему риску. Некоторые даже сообщали, что «видели» вспышки света. Исследователи предполагают, что это могут быть космические лучи, поражающие зрительные нервы или запускающие зрительную кору.

    «Есть несколько клинических исследований, показавших несколько повышенную заболеваемость раком у пилотов».

    Любой, кто отправится на Луну или Марс, останется совершенно незащищенным, если не считать той защиты, которую он носит с собой. А это означает, что повреждение ДНК и когнитивные нарушения почти неизбежны.

    «Идут исследования в области активного экранирования — обычно создается искусственная магнитосфера», — говорит Корнелиус. «Но я думаю, что мы будем использовать червоточины до того, как они появятся. Это очень, очень рано».

    Дождь или солнце…

    Радиация — обманчиво банальное слово. Он охватывает весь спектр — от мягкого согревающего инфракрасного излучения до гамма-излучения, расщепляющего клетки.

    Получайте новости о научных новостях прямо на свой почтовый ящик.

    «Да, магнитосфера будет отклонять много вещества с более низкой энергией, но тогда вещество с более высокой энергией просто пробивает его и остается там, где находится космическая станция», — говорит Корнелиус.

    Гости космического отеля вряд ли столкнутся с исключительно высоким риском. Особенно, если они приезжают всего на несколько дней раз в несколько лет.

    Читайте также: Что будет, когда люди колонизируют космос?

    «Что касается краткосрочных полетов в космос, я бы не беспокоился о том, чтобы отправиться туда — пока есть хороший солнечный прогноз», — говорит Корнелиус.

    Другое дело консьерж. Персонал отеля с уровнем защиты, аналогичным астронавтам космического корабля «Шаттл», может поглотить около 10 миллизивертов (мЗв) за шестимесячную смену. И это не считая таких явлений, как солнечные вспышки.

    Текущий безопасный годовой предел для населения составляет всего один мЗв. Для медицинских работников это около трех мЗв. Обеспечение защиты стоит дорого: только масса может поглощать радиацию.

    Альтернатива — эвакуация. Однако это не всегда возможно, особенно в короткие сроки. По словам Корнелиуса, приливы и отливы общего галактического космического радиационного фона можно прогнозировать на три месяца вперед. Но ничто еще не может предсказать солнечное событие.

    «Что касается краткосрочных полетов в космос, то я бы не беспокоился о том, чтобы отправиться туда — пока есть хороший солнечный прогноз».

    «Многие исследователи работают над этим, — говорит он. — Я уверен, что в конце концов они туда доберутся.

    Но наука только начинает понимать сложность космической погоды. Те же самые пояса Ван Аллена, которые отклоняют солнечное излучение, теперь, по-видимому, создают свои собственные бури.

    Земля окружена двумя радиационными поясами, заполненными электронами и заряженными частицами. Внутренний довольно стабилен, но внешний со временем набухает и сжимается. Предоставлено: НАСА

    «Идет осаждение электронов», — говорит Корнелиус. «Исходя из того, что делают магнитные поля, эти электроны могут направляться вниз к Земле. И это излучение вызывает реакцию, производящую различные виды излучения. В конце концов, вы получаете гамма-лучи и рентгеновские лучи в пучке — своего рода космическую молнию».

    И точно так же, как «обычная» молния, которую мы видим во время грозы, это не то, чем вы хотите быть пораженным.

    «У нас есть технология, — говорит Корнелиус. «Мы создаем инструменты моделирования, чтобы предсказать это. У нас есть оборудование, чтобы обнаружить это».

    Глубокое столкновение

    Космический туризм уже набирает обороты. Первым туристом был калифорнийский миллионер Деннис Тито, который полетел на МКС в 2001 году за 20 миллионов долларов США.

    С тех пор появилось множество идей космических отелей. Среди последних — станция «Вояджер» Orbital Assembly. Предполагается, что к 2027 году он сможет вместить 400 гостей во вращающемся колесе с искусственной гравитацией. Строительство Пионерской станции меньшего размера на 28 человек запланировано на 2025 год.

    Еще есть Орбитальный риф. Эта коммерческая космическая станция привлекла внимание таких известных компаний, как Amazon, Boeing и Университет штата Аризона. Его первая очередь, которая должна быть запущена в конце 2020-х годов, будет иметь объем около 830 кубометров и вместить до 10 человек.

    На всех этих кораблях безопасные помещения со свинцовой обшивкой не подойдут. «Это нелогично, но плотность свинца означает, что он может производить больше радиации, чем поступает», — говорит Корнелиус.

    Высокоскоростная заряженная частица с высокой вероятностью может столкнуться с плотно упакованными атомами свинца. Корнелиус говорит, что эти столкновения производят много нейтронов: «И чем тяжелее что-то, тем больше происходит столкновений».

    Вот почему вода — на данный момент — лучшая защита. «Вода очень хорошо замедляет нейтроны, — говорит Корнелиус. «Итак, в дополнение к тому, что он не такой плотный и, следовательно, не генерирует столько вторичных частиц, он также замедляет их. Он занимает хорошую золотую середину».

    Но чем меньше плотность, тем больше его требуется. И вода тоже имеет тенденцию потребляться.

    «В сточных водах также много воды, так что я думаю, вы могли бы использовать это как защиту», — говорит Корнелиус. На низкой околоземной орбите можно использовать алюминиевые листы. «Большая часть активности здесь связана с электронами с более низкой энергией», — говорит Корнелиус. «Вы можете сбить их кусочком алюминия толщиной в несколько миллиметров».

    Нравится Еженедельник? Вам понравится ежеквартальный журнал COSMOS.

    Самые важные новости, подробно, ежеквартально. Купите подписку сегодня.

    Подписаться

    Ограничения в прогнозировании риска космического излучения для здоровья космонавтов-исследователей

    Резюме

    Несмотря на годы исследований, понимание условий космического излучения и риска, который оно представляет для космонавтов-долгожителей, остается ограниченным. Существует несоответствие между результатами исследований и наблюдаемыми эмпирическими эффектами, наблюдаемыми у экипажей космонавтов, вероятно, из-за многочисленных факторов, которые ограничивают наземное моделирование сложной космической среды и экстраполяцию клинических последствий для человека из различных моделей животных. Учитывая предполагаемое будущее пилотируемых космических полетов, а также предпринимаемые в настоящее время усилия по быстрому расширению возможностей пилотируемых полетов на Луну и Марс, существует острая необходимость улучшить понимание риска космической радиации, прогнозировать вероятные клинические последствия межпланетного радиационного облучения и разработать соответствующие и эффективные стратегии смягчения последствий для будущих миссий. Для достижения этой цели космическое радиационное и аэрокосмическое сообщество должно признать исторические ограничения радиационных исследований и то, как такие ограничения могут быть устранены в будущих исследованиях. Мы стремились выделить многочисленные факторы, которые ограничивают понимание риска космической радиации для пилотируемых экипажей, и определить способы устранения этих ограничений для лучшего понимания и надлежащего отношения к риску будущих пилотируемых космических полетов.

    Введение

    Несмотря на то, что исследования космической радиации в последние годы быстро расширяются, остаются большие неопределенности в прогнозировании и экстраполяции биологических реакций человека на радиационное облучение. По мере того, как будущие миссии будут проводить исследования за пределами низкой околоземной орбиты (НОО) и вдали от защиты магнитного щита Земли, характер радиационного облучения, с которым сталкиваются астронавты, будет включать в себя более высокое радиационное облучение, чем когда-либо испытанное в прошлом в космических полетах человека. В 1988, Национальный совет по радиационной защите и измерениям (NCRP) опубликовал Отчет № 98: Руководство по радиации, полученной при космической деятельности. 1 В этом отчете авторы рекомендовали, чтобы астронавты НАСА были ограничены радиационным облучением в течение всей карьеры, которое вызывало бы не более 3% Риск смерти, вызванной облучением (REID). Это было вновь подчеркнуто в Комментарии № 23 NCRP 2015 года: Радиационная защита для космической деятельности: дополнение к предыдущим рекомендациям, в котором сделан вывод о том, что НАСА должно продолжать соблюдать 3-процентный карьерный предел REID для будущих миссий за пределами НОО. 2 Этот предел был принят в стандартном документе НАСА по космическим полетам человека и системы, NASA STD-3001 Volume 1 (Revision A). 3

    Несмотря на принятие этих руководящих принципов и последние 30 лет исследований, достигнут незначительный прогресс в полном определении или снижении риска космической радиации для экипажа. Фактически, в недавних выводах NCRP указывалось, что их 3-процентный предел может быть недостаточно консервативным, учитывая неполные биологические данные, используемые в существующих проекционных моделях, и что такие модели могут завышать количество допустимых «безопасных дней» в космосе для миссий за пределами НОО. . 2

    Недавний отчет Schwadron et al. выявил дальнейшие опасения относительно межпланетной радиационной обстановки. 4 Необычно низкая активность между 23 и 24 солнечными циклами (с 1996 г. по настоящее время) привела к самому продолжительному периоду минимальной солнечной активности, наблюдаемому за более чем 80 лет наблюдений за Солнцем. Отсутствие солнечной активности привело к существенному снижению плотности солнечного ветра и напряженности магнитного поля, которые обычно ослабляют флюенс (поток частиц, пересекающих заданную плоскость) в 9 раз.0269 Галактические космические лучи (ГКЛ) ионы в периоды солнечного минимума. В результате Schwadron et al. прогнозируют, что флюенсы ГКЛ будут значительно выше в течение следующих солнечных циклов (24–25), что приведет к увеличению фонового излучения и, как следствие, к 20-процентному сокращению допустимых безопасных дней в космосе (за пределами НОО), чтобы оставаться ниже 3% пределов REID. 4

    При изучении рисков для здоровья человека, связанных с космическими полетами (например, здоровья костей, поведения, питания и т. д.), обычно используются аналоги, которые точно отражают космическую среду. В большинстве случаев теория, модели и результаты исследований могут быть подтверждены имеющимися данными космических полетов или, как минимум, наблюдениями за людьми, подвергающимися аналоговым земным нагрузкам. Напротив, исследования космической радиации ограничены использованием аналогов или моделей, которые по многим причинам не точно отражают оперативную космическую радиационную среду или сложность физиологии человека. Например, в исследованиях воздействия космического излучения обычно используются моноэнергетические пучки и острое одноионное облучение (включая протоны, литий, углерод, кислород, кремний, железо и т. д.) вместо сложных энергетических спектров и разнообразного ионного состава. космической радиационной обстановки. Кроме того, прогнозируемая кумулятивная миссия дозы часто доставляется в виде однократных или быстрых и последовательных доз, доставляемых экспериментальным животным. В большинстве случаев эти мощности дозы на несколько порядков превышают реальное облучение в космической среде. Даже использование моделей на животных вносит ошибку, поскольку в исследованиях используются различные виды животных с различной реакцией и чувствительностью к радиации, которые могут не отражать реакции человека на аналогичные воздействия. Кроме того, исследования не требуют, чтобы несколько систем органов одновременно реагировали на многочисленные стрессоры, наблюдаемые в сценарии оперативного космического полета. Исторические эпидемиологические исследования людей, которые обычно используются для корреляции животных и экспериментальных моделей, включают такие популяции, как выжившие после атомной бомбардировки или ядерной аварии, подвергшиеся облучению всего тела в высоких дозах и с высокой мощностью дозы, ограниченные сценариями, не встречающимися в космическом полете. . Эти несоответствия и многие другие факторы, связанные с окружающей средой, способствуют большой неопределенности результатов космических радиобиологических исследований и применимости таких исследований для экстраполяции и прогнозирования клинических последствий для здоровья будущих экипажей космических полетов.

    Здесь мы стремимся выделить те факторы, которые способствуют решению задачи прогнозирования радиационного риска и его снижения для будущих исследовательских космических полетов. Наша цель состоит в том, чтобы дать представление о текущем состоянии специальной литературы по радиации, усилиях по более точному определению космической радиационной среды и трудностях в реализации этих усилий, которые ограничивают текущие знания. Кроме того, мы надеемся определить возможности для будущих исследований, которые могли бы наилучшим образом прояснить путь к успешному определению и снижению риска космической радиации для людей за пределами НОО.

    Космическая радиационная среда

    Биологические стрессоры, связанные с космической радиацией, связаны с эффектами передачи энергии от заряженной частицы к человеческому телу. Сочетание заряда, массы и энергии частицы определяет, насколько быстро она теряет энергию при взаимодействии с веществом. 5,6,7 Например, при равных начальных кинетических энергиях электрон проникнет в алюминий дальше, чем тяжелая заряженная частица, а рентгеновское излучение в среднем проникнет еще дальше. В биологической ткани поглощенная доза, которую получает конкретный орган-мишень от излучения тяжелозаряженных частиц, зависит не только от энергетического спектра частиц, но и от глубины и плотности массы ткани, лежащей между поверхностью кожи и органом-мишенью. (например, см. рис. 1, на котором показана зависимость глубины проникновения ионизированного водорода (протона) в ткань от энергии).

    Рис. 1

    Глубинная доза, энергия и характеристики линейного переноса энергии протонами. Диапазон энергий протонов относительно диаметра тела (пунктирные линии) и глубины костного мозга (ордината) для мышей, свиней и людей для энергий до 60 МэВ. Рисунок перепечатан с разрешения Conditions for RightsLink Permissions Springer Customer Service Center GmbH: Springer-Verlag 32

    Изображение в натуральную величину

    Доза облучения космонавта, измеренная в единицах Грей ( Гр , определяется как Дж на килограмм ( Дж/кг )), откладывается в тканях с распределением, обусловленным удельным потоком энергии частиц. Чем тяжелее заряженная частица, тем больше энергии выделяется на единицу длины пути этой частицы. Это называется линейной передачей энергии (ЛПЭ).

    Среду космической погоды чаще всего подразделяют на три источника ионизирующего излучения, каждый из которых связан с разной энергией и распространенностью и, следовательно, с разным радиационным риском. Во-первых, спектр ГКЛ состоит в основном из ионизированного водорода, а также менее частых более тяжелых заряженных частиц с относительно высокой ЛПЭ, которые способствуют хроническому фоновому облучению космонавтов в течение длительного времени. События с солнечными частицами (SPE) состоят в основном из кратковременных воздействий протонов высокой энергии, которые исходят от Солнца в областях солнечной магнитной нестабильности. 8 Наконец, солнечный ветер состоит в основном из низкоэнергетических протонов и электронов. Фоновая мощность дозы солнечного ветра меняется в зависимости от солнечного цикла, но легко экранируется современными конструкциями космических аппаратов и считается несущественным. В дополнение к излучению космической среды некоторые небольшие количества радиоизотопов используются в пилотируемых космических полетах для калибровки приборов и исследований; однако эти источники строго контролируются правилами полетов и планировщиками миссий. Подавляющее большинство радиационных облучений экипажа связано со сложной радиационной обстановкой, в которой им приходится путешествовать и жить.

    Галактические космические лучи

    Ионы GCR, происходящие из-за пределов нашей Солнечной системы, представляют собой релятивистские ядра, обладающие достаточной энергией, чтобы проникнуть через любую технологию защиты, используемую в современных транспортных средствах миссии. 9 Спектр ГКЛ представляет собой сложную комбинацию быстродвижущихся ионов, происходящих от большинства атомных видов, встречающихся в периодической таблице. 10 Спектр ГКЛ от водорода ( Z , или атомный номер 1) до железа ( Z  = 26) показан на рис. 2. Этот спектр примерно на 87% состоит из ионов водорода (протонов) , 12% ионов гелия (α-частиц) и 1–2% более тяжелых ядер с зарядами от 9от 0269 Z  = 3 (литий) до Z  = 28 (никель). 10,11 Ионы тяжелее никеля также присутствуют, но встречаются редко. Ионы ГКЛ с зарядом Z  ≥ 3 часто называют частицами HZE ( H с высоким ядерным зарядом Z и энергией E ).

    Рис. 2

    Относительное обилие атомных частиц, нормированное к Z  = 1 (водород) и к Z  = 26 (железо), в спектре Галактических космических лучей (ГКЛ). Спектр ГКЛ включает каждый атом периодической таблицы с ионами вплоть до никеля ( Z  = 28), вносящие вклад в любое значение. Обратите внимание, что энергия каждого вида ионов варьируется в широких пределах, особенно в диапазоне 400–600   МэВ. Это большое несоответствие ионов и энергий чрезвычайно затрудняет точное моделирование среды ГКЛ во время наземных радиобиологических экспериментов. Хотя более крупные ионы могут вносить меньший относительный вклад в структуру спектра, они могут оказывать более значительное биологическое воздействие, чем более мелкие, распространенные ионы. Данные адаптированы из Saganti et al. 2014 108

    Изображение полного размера

    Во время перехода за пределы НОО каждое ядро ​​клетки в теле астронавта будет проходить через ион водорода или дельта-луч (электрон отдачи, вызванный фрагментацией после взаимодействия ионов) каждые несколько дней, а также более тяжелый ион GCR (например, O, Si, Fe) каждые несколько месяцев. 12,13 Несмотря на свою редкость, тяжелые ионы вносят значительный вклад в дозу ГКЛ, которую астронавты получили бы за пределами НОО. Энергии более тяжелых ионов ГКЛ настолько проникающие, что экранирование может лишь частично уменьшить внутрикорабельные дозы. 13 Более толстый экран может обеспечить защиту, но его ограничения ограничены массой и объемом исследовательских аппаратов и зависят от возможностей систем запуска космических кораблей.

    Излучение с высокой ЛПЭ, обнаруженное в спектре GCR, может производить чрезмерное количество свободных радикалов, которые провоцируют окислительное повреждение клеточных структур. Хроническое воздействие такого окислительного стресса способствует радиационно-индуцированным изменениям, связанным с преждевременным старением, сердечно-сосудистыми заболеваниями и образованием катаракты. Большая сила ионизации ионов GCR делает их потенциально значительным фактором повреждения тканей и канцерогенеза, дегенерация центральной нервной системы (ЦНС) и пагубные последствия для здоровья. 14,15 Кроме того, при прохождении ионов ГКЛ через космический аппарат взаимодействие с корпусом космического корабля ослабляет энергию тяжелозаряженных частиц и часто вызывает их фрагментацию на многочисленные частицы с уменьшенным атомным весом, процесс, называемый скалыванием . 16,17 Расщепление, происходящее при столкновении частиц ГКЛ с экранирующими материалами, может привести к «каскадным ливням», которые производят дочерние ионы с гораздо более высоким потенциалом биологического разрушения, чем исходная частица. 9,13,18,19 Этот процесс изменяет состав спектра внутрикорабельного излучения, добавляя сложности радиационной среде, уникальной для космического полета.

    События с солнечными частицами

    Во время СПС магнитные возмущения на поверхности Солнца приводят к выбросу интенсивных всплесков ионизирующего излучения, которые трудно предсказать заранее. 20,21,22 Излучение SPE в основном состоит из протонов с кинетической энергией в диапазоне от 10 МэВ до нескольких ГэВ (определяется релятивистской скоростью частиц) и, по прогнозам, вызывает неоднородное распределение дозы в теле облученного астронавта с относительно высокая поверхностная (кожа) доза и значительно более низкая доза для внутренних органов.

    Поскольку внекорабельные скафандры обеспечивают относительно низкую защиту, воздействие ТФЭ во время внекорабельной деятельности может представлять значительный риск для астронавтов. 23 Тем не менее, астронавты по-прежнему будут получать потенциально значительное повышение дозы облучения даже внутри экранированного космического корабля и останутся уязвимыми, особенно во время длительных полетов, как к острым эффектам внезапных радиационных болюсов SPE, так и к общим аддитивным эффектам GCR и повторяющихся SPE в течение миссии.

    В то время как многие СПС демонстрируют умеренное распределение энергии, случаются случайные и непредсказуемые события с высокой плотностью потока; например, согласно прогнозам, особо крупный SPE в октябре 1989 г. доставил облученному астронавту в транспортном средстве, путешествующем в межпланетном пространстве, мощность дозы до 1454 мГр/ч (для контекста учтите, что суточная доза для длительных астронавтов на борту МКС составляет примерно 0,282 мГр в сутки). 23,24,25 Точно так же некоторые СФЭ могут доставлять особенно высокие энергетические дозы: например, 10–15% от общего флюенса 19 октября.89 SPE состоял из протонов с энергией более 100 МэВ. 1,23 Если космонавт подвергнется такому событию во время длительного космического полета, существует потенциальный риск как острого радиационного заболевания, так и значительного увеличения общего накопления дозы миссии. Следует отметить, что в этих прогнозах использовались классические значения экранирования (5  г/см 90 273 2 90 274), аналогичные значениям командного модуля «Аполлон» (среднее экранирование 6,15 г/см 90 273 2 90 274). 26

    Энергичные события ТФЭ производят протоны с энергиями ≥100 МэВ, которые могут проникнуть через классическую защиту космического корабля, потенциально достигая глубины кроветворных органов с вредными клиническими последствиями. Эти высокоэнергетические ТФЭ, доставляемые экипажам, совершающим межпланетный полет, могут привести к потенциально серьезным симптомам, начиная от продромальных реакций (тошноты, рвоты, усталости, слабости) и заканчивая смертельным исходом. Кроме того, большие дозы ТФЭ могут вызывать дегенеративные эффекты, связанные с раком, глазными катарактами, респираторными и пищеварительными заболеваниями и повреждением микроциркуляторного русла; хотя эти эффекты в основном латентные и не обязательно представляют непосредственный риск для здоровья экипажа, их общее воздействие на экипажи, работающие в течение длительного времени, является важным фактором. 27

    Межпланетная радиационная среда

    Поток частиц ГКЛ в межпланетном пространстве колеблется обратно пропорционально солнечному циклу, с мощностью дозы от 50–100  мГр/год в солнечном максимуме до 150–300  мГр/год в солнечном минимуме. 28 Плотность и возникновение СПС непредсказуемы, но возможны мощности дозы до 1400–2837  мГр/час. 1,8,23

    Как обсуждалось выше, даже если экранирование космического корабля эффективно снижает дозу облучения экипажа от СЧЭ, расщепление, возникающее при столкновении частиц ГКЛ с экранирующими материалами, может привести к биологическому повреждению. 9,13,18,19 Экранирование алюминием более 20–30   г/см 2 может снизить эффективную дозу ГКЛ не более чем на 25%. 29 Эквивалентная масса полиэтилена обеспечивает снижение дозы ГКЛ только примерно на 35%. 30,31 Несмотря на то, что такая степень защиты была достигнута на борту Международной космической станции (МКС), аналогичная защита нецелесообразна при расчетных параметрах исследовательской миссии из-за ограниченных возможностей подъемной массы планируемых систем запуска космических объектов. Модуль экипажа Аполлона на сегодняшний день является единственным транспортным средством, которое доставляло людей за пределы НОО; этот носитель мог эффективно экранировать только протоны SPE с энергиями ≤75 МэВ. 26 На сегодняшний день ни в одном исследовании не удалось успешно имитировать сложность энергетических элементов спектра внутрикорабельного излучения, которому космонавты фактически подвергаются во время космического путешествия, или успешно внедрить параметры конструкции корабля и экранирования в аналоговые испытательные среды, что ограничивает понимание истинных эффектов. воздействия такой среды на организм человека.

    Проблемы оценки радиобиологического эффекта

    Моделирование переноса энергии

    Когда заряженная частица пересекает материал (такой как защита космического корабля, биологическая ткань и т. д.), она постоянно теряет энергию при взаимодействии частиц, пока частица не покинет среду или не замедлится достаточно, чтобы вступить в сильное взаимодействие с электронами на орбите. Это приводит к быстрой потере энергии частицы на очень небольшом расстоянии с соответствующим быстрым и резким ростом ЛПЭ. «Пик Брэгга» (рис. 3а) описывает быструю передачу кинетической энергии от заряженной частицы до того, как частица остановится в среде. Этот пик особенно заметен для быстро движущихся заряженных частиц, что указывает на более существенную передачу энергии и, как следствие, на возможность большего вредного биологического эффекта от таких частиц. Однако, если вместо этого частица проходит непосредственно через ткань без потери энергии, достаточной для обеспечения эффективной тормозной способности, внезапная потеря энергии, связанная с пиком Брэгга, не происходит, и повреждение минимально. Исследования космического излучения на сегодняшний день обычно предполагают однородное распределение потерь энергии, включая пик Брэгга, для каждого типа излучения, что, вероятно, переоценивает относительный ущерб от некоторых воздействий. 32 Усовершенствованное моделирование осаждения дозы и возникающих в результате биологических последствий, характерных для космической среды, улучшит возможности оценки риска.

    Рис. 3

    a Характеристики пика Брэгга и глубинной дозы космического излучения. Пик Брэгга и относительное осаждение дозы для ионов при энергиях, обычно используемых в исследованиях космического излучения, по сравнению с источниками рентгеновского и гамма-излучения, используемыми в качестве суррогатных излучений для количественной оценки относительной биологической эффективности (ОБЭ). Пик Брэгга относится к точке, в которой заряженная частица быстро теряет кинетическую энергию, прежде чем остановится в среде. Этот эффект особенно заметен для быстро движущихся заряженных частиц. Показаны протоны с энергией 60 МэВ (водород, фиолетовый), 600 МэВ 56 Fe (железо, светло-голубой), 290 МэВ 12 C (углерод, зеленый), 1 ГэВ 56 Fe (железо, темно-синий), рентген (оранжевая пунктирная линия) и 60 Co (кобальт, желтая пунктирная линия). Заштрихованная серая область, представляющая средний диаметр мыши, демонстрирует, что пик Брэгга и, следовательно, большая часть отложения дозы находится на расстоянии 90 269 за пределами тела мыши на 90 270 для протонов SPE (энергия ≥50 МэВ) и ионов GCR. b Протонный и электронный пробеги, энергия и распределения дозы для 19 октября89 солнечных частиц по сравнению с эквивалентной дозой 60 облучения Co. Заряженные частицы (электроны, протоны, тяжело заряженные частицы) обычно выделяют больше энергии ближе к концу своего пробега. Напротив, текущий стандарт, излучение 60 Co, теряет большую часть энергии на поверхности ткани. Эти энергетические характеристики демонстрируют плохую достоверность 60 Co в качестве суррогата для изучения сложных спектров ТФЭ и ГКЛ. Рисунок 3 ( b ) перепечатан с разрешения Условия для разрешений RightsLink Springer Customer Service Center GmbH: Springer-Verlag 32

    Изображение с полным размером

    Биологические эффекты космической радиации зависят от множества факторов, специфичных для частиц и энергии, таких как ЛПЭ, характерная для каждого иона, а также мощность дозы облучения. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) определенного типа излучения представляет собой численное выражение относительной степени повреждения биологических тканей фиксированной дозой этого типа излучения. Более высокие ОБЭ связаны с более разрушительным излучением для данной дозы. ОБЭ определяется с использованием эффективности кобальта ( 60 Co) гамма-излучение в качестве стандарта. ОБЭ = 1 означает, что «испытательный» тип излучения (например, облучение тяжелыми ионами) столь же эффективен, как и излучение 60 Co, при оказании биологического эффекта, а ОБЭ > 1 означает, что испытательное излучение более эффективно, чем . 60 Излучение Co при получении биологического эффекта. Однако в некоторых случаях это сравнительное значение не полностью отражает кривую переноса энергии конкретного радиобиологического поражения (рис. 3б).

    Влияние количественных факторов, таких как ЛПЭ, идентичность частиц, мощность дозы и общая доза, на ОБЭ остается не до конца изученным. ОБЭ может варьироваться для одного и того же типа частиц в зависимости от энергии, мощности дозы, органа-мишени и других факторов. Разным типам частиц присваивается излучение весовой коэффициент (ранее добротность ), W R , который представляет собой среднее значение расчетных ОБЭ для данной частицы. Для определения относительного биологического риска определенного типа и дозы радиационного облучения физическую дозу (в Гр) умножают на W R , чтобы получить биологически эффективную дозу в единицах Зивертов ( Зв ). Этот метод оценки дозы и относительного эффекта вводит ограничения в прогнозировании истинного биологического риска облучения, особенно облучения в сложных и плохо изученных радиационных условиях.

    Ограничения земных аналогов

    Механизмы биологического воздействия

    Существуют многочисленные ограничения современных земных аналогов, используемых для изучения и прогнозирования воздействия космического излучения на биологические ткани. Механизмы, которые вызывают биологические повреждения от космической радиации, однозначно отличаются от механизмов, связанных с наземными источниками излучения, которые часто используются в качестве заменителей в исследованиях космической радиобиологии. Излучение заряженных частиц, в том числе ГКЛ и СФЭ, вызывает в первую очередь прямая ионизация события, когда биологические эффекты являются прямым результатом взаимодействия между заряженным ионом и пораженной тканью. Поскольку заряженные частицы последовательно теряют энергию в результате взаимодействия с веществом, каждое событие потери энергии может привести к повреждению биологической ткани. Напротив, земные аналоги часто используют излучение, которое вызывает 90 269 косвенных ионизирующих 90 270 событий. При непрямой ионизации незаряженные частицы, такие как фотоны, взаимодействуют с другими молекулами и вызывают высвобождение заряженных частиц, таких как свободные радикалы или электроны, которые в конечном итоге вызывают биологические повреждения. Таким образом, трудно получить содержательную оценку воздействия прямого ионизирующего космического излучения за счет использования земных аналогов и косвенного ионизирующего излучения.

    Получение кумулятивной дозы и распределение в тканях

    Модели космической среды за пределами НОО предсказывают, что экипажи астронавтов могут получить общую дозу тела примерно 1–2 мЗв/день в межпланетном пространстве и примерно 0,5–1 мЗв/день на Марсианская поверхность. 13,33 Эти дозы будут увеличиваться с каждым SPE, обнаруженным в ходе миссии.

    Многие недавние исследования привели к зловещим выводам относительно неострых эффектов радиации GCR на ЦНС и сердечно-сосудистую систему, которые трудно интерпретировать как реальные эффекты, которые могут возникнуть у людей, но предполагают, что длительные, низкие дозы и мощность дозы радиационное облучение, ожидаемое в более длительных исследовательских миссиях, может привести к соответствующим угрозам для здоровья астронавтов. 34,35 Эти эксперименты проводились с использованием моделей грызунов, подвергшихся облучению одноионными, моноэнергетическими пучками тяжелых ионов, в некоторых случаях с суммарными дозами, которые во много раз превышали дозы радиации, которые испытали бы человеческие экипажи во время межпланетных космических путешествий. 36,37,38 Даже в исследованиях, в которых использовались более низкие общие дозы, методы исследований позволяли получить кумулятивные дозы для всей миссии за очень короткий период времени, обычно за несколько минут. 39,40 Эти параметры не учитывают критические физиологические компоненты радиобиологической реакции, которые можно было бы ожидать в условиях хронического облучения с низкими дозами и низкой мощностью дозы, такие как возобновление роста клеток и активация механизмов восстановления. 6 Кроме того, имеются существенные доказательства того, что воздействие GCR с мощностью дозы, ожидаемой в межпланетном пространстве, может не вызывать острые или подострые биологические реакции, в то время как острое воздействие полной/кумулятивной дозы легко может вызвать. 27

    Недавно НАСА разработало обновленный симулятор GCR, способный обеспечить от трех до пяти последовательных моноэнергетических ионных пучков с быстрым переключением между видами ионов. 39 Лаборатория космического излучения НАСА (NSRL) расположена в Брукхейвенской национальной лаборатории в Брукхейвене, штат Нью-Йорк. В настоящее время NSRL является единственным объектом в США, обладающим возможностями для генерации тяжелозаряженных частиц с энергиями, необходимыми для исследований космического излучения. Несмотря на улучшение предыдущих методов, новый симулятор GCR НАСА по-прежнему ограничен в своих возможностях имитировать среду GCR в глубоком космосе. Симулятору не хватает способности генерировать пионы (субатомные частицы) и нейтроны, которые следуют за реакциями расщепления, хотя они составляют 15–20% истинной внутрикорабельной дозы. 39,41,42 Последовательные лучевые воздействия остаются неэффективными при моделировании сложных и одновременных воздействий реальной среды ГКЛ, и ведутся серьезные споры относительно надлежащего порядка осуществления ионного воздействия (поскольку изменение последовательности воздействия может повлиять на результаты эксперимента). ). 42,43 Наконец, мощность дозы, создаваемая этим тренажером, останется значительно выше, чем мощность дозы облучения, ожидаемая для экипажей людей во время космического полета. 39,41

    В качестве дополнительной проблемы излучение ТФЭ имеет уникальное распределение дозы по отношению к облучению всего тела. Исследования показали, что биологическая реакция на космическое излучение уникальна из-за неоднородного многоэнергетического распределения дозы. 44,45 Большинство протонов в СПС имеют энергию менее 100 МэВ, с брэгговскими пиками внутри тела и ЛПЭ 10–80 кэВ/мкм (рис. 3б). Хотя эти энергии можно уменьшить с помощью эффективного экранирования, ожидается, что облученный человек получит гораздо более высокую поглощенную дозу на кожу и подкожные ткани, чем на внутренние органы. 23,32,46,47 До недавнего времени эти специфические для ТФЭ профили токсичности и распределения доз были плохо изучены. В результате большинство предыдущих исследований было основано в основном на упрощенных моделях переноса радиации, полагаясь на простую сферическую геометрию для приближенной оценки дозы на органы на средних глубинах. 48,49 Однако с учетом этого нового свидетельства неоднородного распределения дозы сферическая геометрия недостаточна для моделирования излучения, поступающего в космическую среду.

    Чувствительность модели животных и имитация дозы

    Для простоты определения дозы и моделирования моноэнергетические протоны и ионы GCR в диапазоне 100–1000 МэВ часто используются в экспериментах на животных моделях in vivo, так что вся мишень содержится в пределах часть плато распределения дозы по глубине. 50,51,52,53,54 У экспериментальных животных, которые намного меньше человека, простое масштабирование энергий частиц для соответствия распределению дозы резко изменяет спектр ЛПЭ для протонов (рис. 3 и рис. 4). И наоборот, воздействие имитации SPE или GCR на более мелких животных без масштабирования энергий будет соответствовать их соответствующему спектру LET, но создаст неоднородное распределение дозы, которое выше для внутренних органов, чем для поверхностных тканей, что является полной противоположностью распределения дозы SPE для человека. 32 Для более мелких животных (например, грызунов) невозможно сопоставить как спектр ЛПЭ, так и распределение дозы ТФЭ с использованием протонов. 32,55,56 Модели на более крупных животных, таких как свиньи или приматы, позволяют сопоставить ожидаемое распределение доз при воздействии ТФЭ на человека с использованием протонов с аналогичным спектром ЛПЭ; таким образом, более крупные модели животных с большей вероятностью, чем более мелкие виды, обеспечат надежные оценки воздействия космической радиации на человека. 32 Однако остается неясным, можно ли успешно имитировать одновременное воздействие радиации GCR с низкой дозой и мощностью дозы на моделях мелких или крупных животных. 57 Моделирование радиационных эффектов ГКЛ может быть аналогичным образом изменено вариациями видов животных; однако без целенаправленных усилий по расширению понимания этих явлений предсказание биологических последствий длительного воздействия ГКЛ останется в лучшем случае теоретическим.

    Рис. 4

    Внутрикорабельный LET космического корабля «Шаттл». Отображаются интегрированные значения LET/день, измеренные Badhwar et al. 1998 г. (фиолетовая пунктирная линия), 11 , а также LET пяти одноионных воздействий (290 МэВ 14 C (углерод), 600 МэВ 16 O (кислород), 1 ГэВ 47 Ti (титан), 1 ГэВ 56 Fe (железо) и 600 ГэВ 5 70274 Fe (железо) ). Поскольку исследования, как правило, сосредоточены на единичном моноэнергетическом радиационном воздействии, этот рисунок подчеркивает недостаток широты энергий или сложности поля излучения, используемых в текущих радиобиологических исследованиях. Данные адаптированы из Badhwar et al. 1998 11

    Увеличенное изображение

    Модели животных создают новые проблемы в развитии значимых и точных аналоговых исследований. Хотя животные модели используются в радиобиологических исследованиях в качестве суррогатов для получения данных, которые обычно невозможно получить в этических исследованиях людей, между людьми и другими видами животных существуют многочисленные метаболические, анатомические и клеточные различия. 58 Большинство животных, используемых во всех научных исследованиях в США, — это мыши и крысы, выведенные специально для использования в исследовательских целях. В то время как более крупные виды, вероятно, обеспечивают более значимую корреляцию с воздействием человека, 59 из-за проблем защиты животных и относительной социальной ценности, менее четверти 1% научных исследований проводится на нечеловеческих приматах и ​​менее половины В 1% исследований используются собаки и кошки. В нескольких исследованиях использовались кролики, морские свинки, овцы, свиньи или другие крупные млекопитающие. Хотя эксперименты на грызунах внесли значительный вклад в наше понимание механизмов болезней, в том числе болезней, вызванных радиацией, их значение для прогнозирования эффективности методов лечения для применения на людях остается спорным. 60,61,62

    Различия между животными и людьми наглядно демонстрируют характеристики радиационно-индуцированной смерти (RID). LD 50 определяет требуемую дозу агента (например, радиации), необходимую для смертельного исхода у 50% облученных. Как показано в Таблице 1, сообщалось о заметно различающихся значениях LD 50 для радиационного облучения у разных видов. В настоящее время генетическая и физиологическая основа межвидовой и внутривидовой изменчивости LD 50 не совсем понятно. Мыши были наиболее широко разработанной моделью болезней человека, включая радиационно-индуцированное повреждение тканей. Модели грызунов обладают высокой потенциальной полезностью для описания физиологических и генетических основ многих аспектов реакции млекопитающих на облучение. Тем не менее, следует отметить, что, помимо простых физиологических различий между мышами и более крупными животными (включая значительно более высокую скорость метаболизма, более короткую продолжительность жизни и меньшую массу тела), LD 50 для мышей значительно выше, чем у большинства других видов млекопитающих, включая человека.

    Таблица 1 LD 50 различных моделей животных, используемых в исследованиях космической радиобиологии, по сравнению с LD 50 дозы облучения человека

    Полноразмерная таблица

    для человека по сравнению с мелкими млекопитающими, такими как грызуны, связаны с различными механизмами, участвующими в RID при этих уровнях доз. Для млекопитающих гибель при ЛД 9Считается, что доза 0489 50 вызывается гемопоэтическим синдромом , который включает разрушение линий клеток-предшественников в кроветворных органах. Исторически считалось, что инфекция и кровоизлияние являются основными причинами смерти от гематопоэтического синдрома, при этом тот или иной из этих факторов преобладает в реакциях разных видов на смертельное радиационное воздействие. 63 Например, бактериальная инфекция является преобладающим фактором, приводящим к RID у мышей при дозах, близких к их соответствующей LD 50 уровней. 63,64,65 Однако недавние результаты Krigsfeld et al. показали, что радиационно-индуцированная коагулопатия (РИК) и клинические последствия, имитирующие диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови (ДВС-синдром), могут приводить к кровоизлиянию, тромбозу микрососудов, повреждению органов и смерти от полиорганной недостаточности в результате облучения крупных животных (включая хорьков и свиней) до доз радиации, равных или близких к ЛД вида 50 . 66,67,68,69,70 RIC-ассоциированное кровотечение происходит задолго до ожидаемого снижения количества периферических тромбоцитов после облучения. У грызунов не обнаруживаются признаки кровоизлияния или нарушения первичного гемостаза при вскрытии трупа после летального радиационного облучения в дозах, близких к дозе LD 50 , в то время как у крупных животных, включая человека, кровоизлияние наблюдается при смерти после радиационного облучения. Эти результаты показывают, что люди могут подвергаться риску осложнений, вызванных коагулопатией, после радиационного облучения в дополнение к классически ожидаемым (отсроченным) опасениям инфекционных последствий или снижения количества клеток, эффекты, которые не могут быть смоделированы суррогатами грызунов.

    Кроме того, значения ОБЭ для протонного облучения варьируются в зависимости от модели животных. В целом, значения ОБЭ увеличиваются с размером животного, при этом мини-свиньи демонстрируют более высокие ОБЭ, чем хорьки, а хорьки, в свою очередь, демонстрируют более высокие ОБЭ, чем мыши (таблица 2). 44 Многочисленные исследования были сосредоточены на значениях ОБЭ гемопоэтических клеток у мышей в различные моменты времени после того, как животные подверглись воздействию различных доз протонного или гамма-излучения. 45,71 В этих моделях на грызунах ОБЭ существенно не отличаются от единицы в любой момент времени или при оцениваемых дозах облучения. Однако аналогичные исследования на хорьках и мини-свиньях продемонстрировали изменения значения ОБЭ, которые зависят от животной модели, типа излучения, времени после воздействия и оцениваемой клеточной линии (например, общее количество лейкоцитов по сравнению с нейтрофилами). В одном исследовании облученные протонами хорьки, обследованные через 48 часов после облучения, продемонстрировали ОБЭ для лейкоцитов в диапазоне 1,2–1,6 и ОБЭ для нейтрофилов в диапазоне от 1,9. до 2.1. 72 У юкатанских мини-свиней, обследованных через 4 дня после воздействия, было обнаружено, что ОБЭ для лейкоцитов составляет 2,4–4,1, а ОБЭ для нейтрофилов – 2,2–5,0 (см. Таблицу 2, Рис. 5). 56

    Таблица 2 Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) для ТФЭ-подобных протонов по сравнению со стандартным эталонным излучением (гамма или электроном) в моделях на животных

    Полноразмерная таблица

    Рис. после воздействия протонов и рентгеновских лучей (сравнимых с гамма-излучением) на мышей, хорьков и юкатанских мини-свиней. Относительная доля лимфоцитов ( a ) и количество нейтрофилов ( b ) после однородного протонного или рентгеновского воздействия на компартмент костного мозга. Примечание: расчеты показывают, что животные получили дозу примерно 2 Гр на костный мозг. В обоих случаях мышиные модели продемонстрировали способность полностью восстанавливаться в течение 30 дней после воздействия протонов, в то время как модели хорьков и свиней не показали восстановления. Хорьки были подвергнуты эвтаназии на 13-й день. 44 Значения ОБЭ для подсчета лейкоцитов сильно различались между моделями мышей, хорьков и свиней. Значения ОБЭ были выше у хорьков, чем у мышей, и значительно выше у свиней по сравнению с хорьками или мышами. Это говорит о том, что специфичная для модели чувствительность к радиационному облучению может привести к совершенно другим результатам в результатах эксперимента, что приводит к трудностям в извлечении клинической значимости из моделей животных с различной чувствительностью к радиации по сравнению с людьми. Данные Кеннеди 44 (результаты на мышах и хорьках) и Krigsfeld et al. 66,67 (результаты на юкатанских мини-свиньях)

    Полноразмерное изображение

    В других экспериментах воздействие протонов на мини-свиней снова приводило к значительно большему повреждению кроветворения и снижению количества лейкоцитов, чем сопоставимое гамма-облучение (рис. 6). ). 55,56 Результаты этих исследований показывают, что значения ОБЭ для разных типов излучения, рассчитанные для одних и тех же конечных точек, могут сильно различаться в зависимости от вида животных и клеточной линии. Одним из способствующих факторов может быть способность к восстановлению систем обновления клеток крови у мышей; такие возможности, по-видимому, отсутствуют у мини-свиней (животная модель с более человеческими кроветворными характеристиками), что делает их более восприимчивыми к радиационно-индуцированному снижению количества клеток. Учитывая предполагаемое более близкое приближение радиационных эффектов у более крупных животных к последствиям, характерным для человека, это предполагает, что значения ОБЭ, характерные для космического излучения, для людей могут быть значительно выше, чем для мышей.

    Рис. 6

    Результаты экспериментов с юкатанскими мини-свиньями, подвергшимися воздействию излучения, похожего на смоделированное событие солнечных частиц (SPE), состоящего из протонов нескольких различных энергий. В этом исследовании Кеннеди и соавт. использовали неоднородное распределение протонов, напоминающее спектр ТФЭ, как показано на рис. 3. Электроны использовались в качестве суррогатного излучения для определения ОБЭ после воздействия распределения протонов, подобного ТФЭ. Электроны были выбраны потому, что распределение, подобное ТФЭ, не могло быть достигнуто с 60 Co, как показано на рис. 3. Обратите внимание на то, что количество лейкоцитов в модели мини-свиньи восстановилось почти до уровней до облучения после воздействия электронного излучения, в то время как количество лейкоцитов у тех, кто подвергся ТФЭ-подобному протонный спектр оставался подавленным в течение 30 дней после облучения. Эти результаты показывают, что мини-свиньи не были способны восстанавливать повреждения кроветворения, вызванные воздействием протонного излучения, так же эффективно, как они могли восстанавливать повреждения, вызванные электронным излучением. Данные Кеннеди 2014 44

    Изображение в натуральную величину

    Эти исследования продемонстрировали новаторские усилия по созданию интегрированного, основанного на физиологии подхода к оценке конечных точек, специфичных для систем органов и видов. Используя более всестороннюю оценку радиационной токсичности для многократных доз и мощностей доз на нескольких моделях животных, эта работа продвинула понимание влияния генетической гетерогенности и продемонстрировала, что модель животных, физиология, масса тела и точность аналога космического излучения в этом случае многоэнергетический спектр протонов) все вносят свой вклад в радиационную реакцию. Такие усилия по интеграции многочисленных факторов, которые способствуют радиационно-индуцированным эффектам, будут иметь решающее значение для применения результатов исследований и прогнозирования клинических реакций у людей.

    Наконец, исследования синергетического воздействия радиации в сочетании со стрессорами среды космического полета (например, микрогравитацией, факторами окружающей среды, изоляцией и эмоциональным стрессом и т. д.) показывают, что такие факторы в сочетании придают повышенную восприимчивость к инфекции и замедляют заживление ран. 71,73,74 В то время как медицинские возможности космических полетов были разработаны для лечения некоторых острых травм, таких как уход за ранами и инфекционный контроль, неясно, будут ли стандартные методы лечения эффективными против синергетических переменных, которые влияют на заживление ран и связанные с ними риски, характерные для космической среды. Исторически сложилось ограниченное количество испытаний эффективности методов лечения, включая фармацевтические вмешательства, когда фактором является радиационное воздействие. Точно так же несколько исследовательских протоколов, изучающих оперативную медицинскую помощь, включали дополнительные переменные высокого стресса и изолированной среды, 75,76,77 инфекции, связанные с измененным бактериальным и химическим воздействием, характерным для космических аппаратов, 78,79,80,81 или факторы, связанные с гравитационной разгрузкой, 73,82,83,84 и исследования не проводились эффективно исследовал все эти переменные одновременно. Неясно, можно ли полностью смоделировать эти сложные взаимодействия даже на моделях крупных животных для соответствующей экстраполяции риска для человека. Необходимо лучше понять механизм наблюдаемых синергетических эффектов, определить подходящие животные модели для аналоговых исследований и определить эффективность стандартных методов лечения повреждений, возникающих в результате сочетанного радиационного поражения. Целенаправленные усилия, направленные на достижение этих целей, позволят лучше применять оперативно значимые и надлежащие контрмеры. 85

    Преобразование исследований космической радиобиологии в последствия для здоровья человека

    Биологические повреждения от радиационного облучения обычно классифицируются как детерминированные , основанные на дозовом пороге эффекты, связанные со значительным повреждением или гибелью клеток (например, спектр клинических проявлений которые составляют острую лучевую болезнь), или стохастический , где повышенное облучение связано с повышенным риском, хотя пороговая доза не требуется для биологического воздействия (например, канцерогенеза). 86 В настоящее время канцерогенез является единственным долгосрочным стохастическим эффектом, который имеет четко определенный допустимый предел воздействия в космическом полете. Известно, что земное излучение (например, профессиональная или клиническая лучевая терапия гамма-излучением или рентгеновское облучение) связано с канцерогенным риском; 87 В настоящее время нет убедительных доказательств того, что космическое излучение вызывает у человека рак, но разумно предположить, что это возможно. Эквивалентная доза облучения, полученная космонавтами, которые в настоящее время отправляются на МКС в течение 6 месяцев, составляет примерно 100  мЗв; 88 дозы 100  мЗв от наземных источников излучения были связаны с повышенным риском развития рака среди населения. 87 Программа НАСА «Пожизненное наблюдение за здоровьем астронавтов» (LSAH) документирует случаи рака у астронавтов, среди других параметров здоровья. Предыдущий обзор данных LSAH предполагает, что могут быть доказательства повышенного риска рака у космонавтов по сравнению с контрольной популяцией, хотя данные неубедительны и ограничены очень небольшим размером выборки. 89

    Большинство данных о влиянии космического радиационного облучения на людей было получено в результате эпидемиологических исследований выживших после атомной бомбардировки, пациентов лучевой терапии и работников, подвергшихся профессиональному облучению. Эти исследования были сосредоточены на связи между воздействием ионизирующего излучения и долгосрочным развитием дегенеративных эффектов тканей, таких как болезни сердца, катаракта, иммунологические изменения, рак и преждевременное старение, при умеренных и высоких дозах излучения с низкой ЛПЭ. 1,8 Полученные данные подтверждаются результатами лабораторных исследований на животных моделях грызунов. 90 Однако истинный риск этих заболеваний в результате облучения низкой мощностью дозы ГКЛ и прерывистого ТФЭ гораздо труднее оценить из-за длительных латентных периодов и многочисленных проблем, связанных с изучением радиационной обстановки. 90 Кроме того, виды радиационного облучения, создаваемого атомными бомбами (высокая доза и высокая мощность дозы гамма-излучения и нейтронного излучения), отличаются от радиационного облучения экипажей космонавтов во время космических полетов.

    Теоретические расчетные ОБЭ для некоторых видов рака, вызванных космическим излучением, довольно высоки, что привело к предположению, что риск развития рака в результате воздействия космического излучения, по крайней мере, так же высок, а возможно и выше, чем риск развития рака в результате воздействия космического излучения. воздействие радиации на Землю. 91,92 Однако в настоящее время не существует биофизических моделей, позволяющих точно прогнозировать все острые, подострые, дегенеративные и канцерогенные риски, характерные для диапазона частиц и энергий ионизирующего излучения в космической среде. Имеется мало информации о доза-эффекте и модификаторах мощности дозы для конкретных эффектов или о дегенеративных эффектах, связанных с ионизирующим излучением, и очень мало биологических моделей описывают дегенеративные процессы (например, сердечно-сосудистую дегенерацию), вызванные ионизирующим излучением. 93

    Воздействие радиационной среды НОО связано с изменениями структуры хроматина. 94,95,96,97 Однако не совсем понятно, как такое повреждение связано с воздействием на клеточную функцию или долгосрочным канцерогенным риском. Существует недостаток понимания в отношении интерпретации показателей хромосомных повреждений, выявленных у астронавтов, и долгосрочных эффектов, вызванных космической радиационной средой, без опоры на наземные исследования различных источников излучения, доз, мощности дозы или сложности для контекста. Например, Доказательный отчет Программы исследований человека НАСА о риске радиационного канцерогенеза, 98 , опубликованном в 2016 г. , цитирует многочисленные исследования по оценке риска хромосомных повреждений (и, в конечном счете, канцерогенеза). Обзор исследований, цитируемых в этом отчете, подчеркивает ограничения, описанные в этой рукописи, в том числе зависимость от источников моноэнергетического излучения, 36,38,40,97,99,100 сравнение или интерпретация результатов в контексте гамма или X -лучевое облучение, 38,40,99,100,101 или использование доз или мощностей доз, значительно превышающих ожидаемые во время космического полета. 36,38,40,97 Действительно, многие из этих же факторов упоминаются в качестве ограничений модели прогнозирования первичного радиационного риска рака НАСА. 102

    Кроме того, в нескольких исследованиях оценивалась частота мутаций из-за излучения LEO на уровне всего генома. Методы выборки всего генома используются для других канцерогенных стрессоров. 103 Прямые наблюдения за частотой мутаций, а также понимание эпигенетических изменений и клеточных повреждений с использованием моделей клеточных культур in vitro теперь могут быть возможны благодаря недавним достижениям в долгосрочном культивировании клеток на борту МКС (Sharma, A. и Ву, Дж. Личное общение (2016 г.)). Количественная оценка наблюдаемых частот мутаций в результате воздействия НОО может лучше информировать будущие усилия по моделированию и обеспечить критическое понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе наблюдаемых патологий. Однако даже данные, полученные из среды НОО, далеки от идеальных, поскольку МКС сильно экранирована, а непосредственная близость Земли обеспечивает значительную защиту от радиационного облучения. Хотя более глубокое понимание среды на НОО может помочь в прогнозировании рисков, предстоит проделать значительную работу по характеристике этих рисков в радиационной среде 9.0269 снаружи LEO.

    Обсуждение

    Риски для здоровья, связанные с воздействием космической радиации, станут более обременительными, поскольку будущие пилотируемые космические полеты потребуют длительного пребывания за пределами НОО и за пределами защиты магнитосферы Земли. Местное экранирование, обеспечиваемое магнитным полем Земли, ослабляет основные последствия облучения космическим излучением для текущих миссий на НОО; в сильно смешанной среде межпланетного пространства доза облучения может резко возрасти. Даже за экраном вторичные частицы, возникающие в результате взаимодействия первичных космических лучей с атомными молекулами конструкции космического корабля, могут доставлять значительную долю эквивалентной дозы. Экипажи астронавтов могут подвергнуться воздействию множественных ТПС непредсказуемой величины с дозами, которые могут вызвать клиническое заболевание и усугубить биологические последствия хронической среды ГКЛ.

    Ограниченное накопление знаний на сегодняшний день еще не дает достаточных данных даже для оценки общего риска, не говоря уже о прогнозировании клинических исходов у людей или соответствующих стратегиях смягчения до, во время или после воздействия. Точное моделирование спектра энергий, видов ионов, доз и мощностей доз, обнаруженных в условиях космического излучения, является нетривиальной задачей. По многочисленным причинам, описанным выше, имитация радиационной обстановки, выбор суррогатной модели животного и введение соответствующей сложности, мощности и величины дозы ограничивают знания, доступные для экстраполяции радиационного риска в контексте космического полета. Эти факторы ограничивают нашу способность разрабатывать оперативные и полезные медицинские контрмеры для снижения радиационного риска будущих космических полетов исследовательского класса.

    Чтобы устранить описанные ограничения, необходимо приложить целенаправленные усилия для разработки новых или новых методов моделирования космической радиационной обстановки в более реалистичных аналогах. Это должно включать более реалистичные исследования мощности дозы, которые могут определить, наблюдаются ли предполагаемые или смоделированные результаты при соответствующих для миссии мощностях дозы и дозе. Кроме того, более активное использование лаборатории животных на борту МКС для сравнения образцов тканей, органов и крови, определения реалистичных порогов доз и мощностей доз, а также сравнения этих данных с наземными исследованиями значительно улучшит текущий подход к аналоговым исследованиям. строительство. Использование моделей на животных должно носить стратегический характер и соответствовать видам, штаммам, дозам и мощностям доз с целью проведения исследований с максимально возможной точностью для экстраполяции риска для человека. 59 В то время как модели грызунов могут быть очень полезны для первоначальных характеристических исследований и получения статистически значимых результатов, истинные успехи, скорее всего, будут достигнуты благодаря усилиям по использованию более крупных животных с физиологией, более похожей на человеческую, для важных исследований того, как конкретные результаты могут трансформироваться в люди. Наконец, несмотря на многочисленные проблемы и этические соображения, исследования нечеловеческих приматов для окончательной проверки рисков и стратегий снижения риска, вероятно, окажутся весьма полезными для защиты будущих экипажей людей.

    Как описано выше, обновленный симулятор GCR НАСА может обеспечить некоторые улучшения в исследованиях моделирования за счет использования быстрых последовательных воздействий моноэлектрического луча. 39,41 Последние разработки Chancellor et al. продемонстрировать потенциал более точного аналогового воссоздания радиационной среды ГКЛ, позволяя непрерывно генерировать ионизирующее излучение, которое более точно соответствует распределению ионов, спектру ЛПЭ и мощности дозы ГКЛ (рис. 7). 42 Эти недавние результаты показывают, что радиационная среда внутри космических аппаратов может быть экспериментально создана путем возмущения внутренних свойств богатых водородом кристаллических материалов, чтобы вызвать определенные процессы ядерного расщепления при помещении в ускоренный моноэнергетический пучок тяжелых ионов. Хотя такой подход по-прежнему ограничен мощностью дозы (как и все наземные облучения), такой подход может позволить улучшить моделирование сложной смеси ядер и энергий, обнаруженных в спектре космического излучения. 42

    Рис. 7

    Концепция геометрии блока замедлителя для имитации спектров космического излучения. Художественная концепция аналога GCR подробно описана в Chancellor et al. 42 Первичный пучок 56 Fe (железо, слева) избирательно разрушается с помощью тщательно разработанного блока замедлителя для получения желаемого распределения энергии и ионов (представленного цветными линиями справа), имитирующего внутрикорабельную космическую радиационную среду. . Чтобы предпочтительно увеличить фрагментацию и потерю энергии, разрезы выполняются в блоке замедлителя, состоящем из разных материалов (обозначенных разными оттенками серого). Перед тем, как продукты скалывания покинут блок замедлителя, для рассеивания добавляется слой материала с высоким Z. Изображение предоставлено Р. Блю

    Изображение в натуральную величину

    Потенциальное радиационное облучение экипажей космонавтов происходит во временной шкале, которая измеряется от дней до месяцев для SPE и GCR. Технологические, практические и финансовые соображения делают непрерывное облучение животных в течение более чем нескольких часов чрезвычайно затруднительным. Кроме того, поскольку продолжительность жизни большинства экспериментальных животных более чем на порядок меньше, чем продолжительность жизни человека, интерпретация долгосрочных облучений с низкой мощностью дозы с использованием таких моделей была бы сомнительной даже при наличии открытой возможности проводить длительные исследования. эксперименты по длительности. Поскольку мощность дозы облучения может иметь большое влияние на модулирование тяжести радиационной реакции, очень важно получить хотя бы некоторые данные о мощности дозы для радиационных экспериментов, исследующих клинические исходы космического радиационного облучения. В то время как некоторые радиационные эффекты либо остаются неизменными, либо смягчаются за счет снижения мощности дозы, данные о нецелевых эффектах облучения (таких как нестабильность генома и адаптивные реакции) позволяют предположить, что доза-эффект может изменяться при более низких мощностях дозы со значительными количественными различиями. наклон кривой доза-токсичность) или качественные (эффекты токсичности) биологические реакции. Это особенно верно для радиационного облучения с высокой ЛПЭ в условиях повышенного окислительного стресса, вызванного космическим полетом. 104,105,106,107 В предыдущих исследованиях ТПЭ-подобного излучения мощность дозы от 17 сГр/час до 50 сГр/минуту моделировалась экспериментально, и статистический анализ этих данных начал изучать потенциальное количественное или качественное влияние мощности дозы о токсичности мультиэнергетического спектра. 14 Использование таких данных для улучшения планирования экспериментов по экстраполяции мощности дозы было бы очень полезным для более надежных будущих исследований.

    Были достигнуты и другие успехи в областях, связанных с эффектами космической радиации, включая секвенирование всего генома, а также транскрипционные, протеомные и эпигеномные исследования клеточного ответа. Существует растущий список генов, которые, как известно, влияют на чувствительность к радиации для многих различных биологических эффектов радиации (например, молекулярные, хромосомные, связанные с передачей сигнала изменения, регулирующие рост, гибель клеток, острые и отдаленные эффекты тканей и опухолей животных, а также канцерогенез животных). ). Даже в этом случае необходимо сопоставить наблюдаемые изменения последовательности с соответствующими изменениями радиочувствительности. 86 Включение этих направлений исследований открывает новые возможности для оценки риска космической радиации на геномном уровне, определяя риск и позволяя лучше понять патологию радиационного поражения и возможности вмешательства в такие процессы.

    Наконец, есть ряд уроков, которые можно извлечь из исторических космических полетов и здоровья первых космонавтов, хотя из исторических данных было трудно сделать осмысленные выводы. Например, некоторые источники предполагают, что нет статистически значимого увеличения канцерогенеза в экипажах Аполлона, космического корабля «Шаттл» или астронавтов МКС по сравнению со средним населением США; другие обзоры данных показывают, что риск для космонавтов действительно повышен. 1,14,89,92 Учитывая, что широкая исследовательская база использовала неидеальные и весьма ограниченные аналоги для прогнозирования риска, тот факт, что реальность отклонилась от теоретического, рассчитанного риска, не является чем-то удивительным. Медицина не развивается без уточнения вариантов лечения с использованием людей. Модели и данные о животных являются полезными заменителями для исследований космической радиации, но дают ограниченную пользу для интерпретации последствий для человека, а исследования людей, подвергшихся профессиональному облучению и клинической лучевой терапии, являются несовершенными заменителями. Опора на эти суррогаты по-прежнему ограничивает возможность применения знаний о радиации в сценариях космических полетов.

    Теперь у нас есть преимущество в виде большей совокупной популяции астронавтов, которые летали в космос, подвергаясь воздействию различных доз, превышающих установленные пороговые значения для некоторых дегенеративных и канцерогенных исходов. Здоровье этих астронавтов, включая ранние признаки заболевания, тщательно контролируется медицинскими и эпидемиологическими ресурсами НАСА с ежегодными медицинскими осмотрами и тщательными записями клинических результатов. Это обеспечивает важные, реальные данные о людях, которые можно использовать для оценки фактического долгосрочного риска для здоровья от космической радиации. Понятно, что эти данные ограничены высококонфиденциальной и защищенной внутренней проверкой, чтобы обеспечить конфиденциальность летающих астронавтов, учитывая небольшие размеры выборки и риск непреднамеренной идентификации по конкретным данным миссии или демографическим данным. Это не должно мешать НАСА использовать в своих интересах эти точки данных, сохраняя при этом бдительность, уделяя приоритетное внимание конфиденциальности и защите медицинских карт космонавтов. Применение этого источника данных улучшит наше понимание истинного риска космической радиации, характеристику клинических исходов для человека и разработку соответствующих стратегий смягчения последствий.

    Выводы

    Научное сообщество изо всех сил пыталось собрать значимые и надежные данные для характеристики радиационной обстановки в космосе и риска, который такая среда представляет для будущих экипажей астронавтов. В то время как многие из проблем, изложенных здесь, препятствовали историческим исследовательским усилиям, есть значительные улучшения, которые можно было бы внести в дизайн исследований, которые улучшили бы нашу способность лучше прогнозировать риск и предлагать реалистичные стратегии и оценку риска для будущих исследовательских космических полетов. Использование усовершенствованных методов моделирования для имитации космической среды, выбор подходящих биологических заменителей для экстраполяции воздействия человека и тщательное использование данных полетов космонавтов могут обеспечить столь необходимый прогресс в исследованиях космического излучения. Поскольку люди стремятся исследовать космос за пределами непосредственной близости и защиты НОО, мы несем ответственность за устранение риска космического излучения в пределах земных возможностей, чтобы предоставить наилучшую информацию и защиту для наших будущих исследователей.

    Ссылки

    1. Национальный совет по радиационной защите и измерениям (NCRP). Руководство по радиации, полученной при космической деятельности . Тех. Отчет NCRP 98 (Национальный совет по радиационной защите и измерениям, Бетесда, 1989 г.).

    2. Национальный совет по радиационной защите и измерениям (NCRP). Радиационная защита при космической деятельности: Дополнение к предыдущим рекомендациям . Тех. Комментарий представителя NCRP № 23 (Национальный совет по радиационной защите и измерениям, Bethesda, 2015 г.).

    3. Aeronautics, N. & Administration, S. NASA Spacefly Human-system Standard . Тех. Представитель NASA-STD-3001 Vol. 1 (REV A, Вашингтон, 2015 г.).

    4. Schwadron, N. A. et al. Препятствует ли наблюдаемое CRaTER ухудшающемуся галактическому космическому излучению будущее исследование дальнего космоса человеком? J. Космическая погода 12 , 622–632 (2014).

      Артикул

      Google ученый

    5. Attix, F.H. Введение в радиологическую физику и радиационную дозиметрию . (Уайли, Нью-Йорк, 1986).

      Книга

      Google ученый

    6. Hall, E.J. & Giaccia, A.J. Радиобиология для рентгенолога . (Wolters Kluwer Health: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс, Филадельфия, 2012 г.).

      Google ученый

    7. Циглер, Дж. Ф. Справочник по сечениям остановки для энергичных ионов во всех элементах . (ElsevierScience: Pergamon Press, Берлингтон, 2013 г.).

      Google ученый

    8. Национальный совет по радиационной защите и измерениям (NCRP). Информация, необходимая для разработки рекомендаций по радиационной защите для космических миссий за пределами низкой околоземной орбиты . Тех. Отчет представителя NCRP № 153 (NCRP Bethesda, 2006 г.).

    9. Кучинотта, Ф. А., Ким, М.-Х. Ю. и Рен, Л. Оценка эффективности экранирования для снижения риска развития рака из-за космического излучения. Радиация. Изм. 41 , 1173–1185 (2006).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    10. Симпсон, Дж. А. Элементный и изотопный состав галактических космических лучей. год. Преподобный Нукл. Часть. науч. 33 , 323–382 (1983).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    11. «>

      Badhwar, G.D. et al. Радиационная обстановка на орбитальной станции «Мир» в период солнечного минимума. Доп. Космический рез. 22 , 501–510 (1998).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    12. Кучинотта, Ф. А. и др. Прогнозы риска рака от космического излучения для исследовательских миссий: снижение неопределенности и смягчение последствий . TRAO-29295 (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Космический центр Джонсона, Хьюстон, Техас, 2001 г.).

    13. Кучинотта, Ф. А. и Дуранте, М. Риск рака от воздействия галактических космических лучей: последствия для исследования космоса людьми. J. Lancet Oncol. 7 , 431–435 (2006).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    14. Чанселлор Дж., Скотт Г. и Саттон Дж. Космическая радиация: риск номер один для здоровья астронавтов за пределами низкой околоземной орбиты. Жизнь 4 , 491–510 (2014).

      Артикул
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    15. Walker, S.A., Townsend, L.W. & Norbury, J.W. Вклад тяжелых ионов в эквивалент дозы на органы для 19Спектр 77 галактических космических лучей. Доп. Космический рез. 51 , 1792–1799 (2013).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    16. Росси, Б. Б. Частицы высоких энергий . (Прентис-Холл, Нью-Йорк, 1952).

      Google ученый

    17. Ходжсон, П. Э., Гадиоли, Э. и Гадиоли-Эрба, Э. Введение в ядерную физику . (Oxford Univ. Press, Нью-Йорк, 1997).

      Google ученый

    18. Guetersloh, S. et al. Полиэтилен как стандарт радиационной защиты в условиях, моделирующих воздействие космических лучей. Нукл. Инструм. Методы физ. Рез. Разд. B 252 , 319–332 (2006).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    19. Таунсенд, Л. В., Кучинотта, Ф. А., Уилсон, Дж. В. и Багга, Р. Оценки вклада частиц HZE в радиационное облучение SPE во время межпланетных миссий. Доп. Космический рез. 14 , 671–674 (1994).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    20. Хеллвег, К. Э. и Баумстарк-Хан, К. Подготовка к пилотируемому полету на Марс: риск космонавтов от космической радиации. Die Nat. 94 , 517–526 (2007).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    21. Wilson, J.W. et al. Защита от воздействия солнечных частиц в глубоком космосе. Радиация. Изм. 30 , 361–382 (1999).

      Артикул
      пабмед

      Google ученый

    22. «>

      Смарт, Д. Ф. и Ши, Массачусетс Комментарий по оценке солнечной протонной среды, которая может повлиять на миссии на Марс. Доп. Космический рез. 31 , 45–50 (2003).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    23. Ху, С., Ким, М.-Х. Ю., Макклеллан, Г. Э. и Кучинотта, Ф. А. Моделирование острых последствий для здоровья астронавтов в результате воздействия крупных солнечных частиц. Здоровье Физ. 96 , 465–476 (2009).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    24. Wilson, J. Обзор радиационной обстановки и облучения человека. Здоровье Физ. 79 , 470–494 (2000).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    25. Центр космических полетов имени Годдарда. https://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/index.html/. По состоянию на 30 октября 2017 г.

    26. Clowdsley, M.S. et al. Радиационная защита для сценариев лунных миссий. Космос 6652 (2005 г.).

    27. Ву, Х., Хафф, Дж. Л., Кейси, Р., Ким, М.-Х. & Cucinotta, F.A. Риск острого радиационного синдрома из-за событий, связанных с солнечными частицами . TR NASA/SP-2009-3405 (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Космический центр Джонсона, 2008 г.).

    28. Mewaldt, R. et al. Доза космического излучения в межпланетном пространстве: современные и наихудшие оценки . Том. 2, 433 (Международная конференция по космическим лучам, Пуна, Махараштра, 2005 г.).

    29. Кучинотта, Ф. А., Ким, М.-Х. Y. & Ren, L. Управление радиационными рисками лунных и марсианских миссий Часть I: Риски рака, неопределенности и эффективность экранирования . TR NASA/TP-2005-213164 (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Космический центр Джонсона, 2005 г. ).

    30. Эдвардс, А. ОБЭ излучения в космосе и последствия для космических путешествий. Физ. Мед. 17 , 147–152 (2001).

      ПабМед

      Google ученый

    31. Setlow, R. Радиационные опасности для экипажей межпланетных миссий: биологические проблемы и стратегии исследований . (Издательство Национальных академий, Вашингтон, 1996 г.).

      Google ученый

    32. Ценгель, К. А., Диффендерфер, Э. С., Эйвери, С., Кеннеди, А. Р. и Макдонаф, Дж. Использование электронного луча для моделирования распределения дозы протонного облучения всего тела солнечными частицами. Радиация. Окружающая среда. Биофиз. 49 , 715–721 (2010).

      Артикул
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    33. Саганти, П. Б. , Кучинотта, Ф. А., Уилсон, Дж. В., Симонсен, Л. К. и Цейтлин, К. Радиационная климатическая карта для анализа рисков для астронавтов на поверхности Марса от галактических космических лучей. Космические науки. Ред. 110 , 143–156 (2004).

      Артикул

      Google ученый

    34. Cherry, J.D. et al. Галактическое космическое излучение приводит к когнитивным нарушениям и повышенному накоплению аβ-бляшек в мышиной модели болезни Альцгеймера. PLoS One 7 , e53275 (2012 г.).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    35. Парихар, В. К. и др. Что происходит с вашим мозгом на пути к Марсу. науч. Доп. 1, е1400256- е1400256 (2015 г.)..

    36. Дюранте, М., Джордж, К., Ву, Х. и Кучинотта, Ф. Кариотипы лимфоцитов человека, подвергшихся воздействию высокоэнергетических ионов железа. Радиация. Рез. 158 , 581–590 (2007).

      Артикул

      Google ученый

    37. Дюранте, М. и др. Цитогенетические эффекты высокоэнергетических ионов железа: зависимость от толщины и материала защиты. Радиация. Рез. 164 , 571–576 (2007).

      Артикул

      Google ученый

    38. Wang, H. & Wang, Y. Более тяжелые ионы с другим линейным спектром передачи энергии убивают больше клеток из-за аналогичного вмешательства в ku-зависимый путь восстановления ДНК. Радиация. Рез. 182 , 458–461 (2015).

      Артикул

      Google ученый

    39. Norbury, J.W. et al. Моделирование галактических космических лучей в лаборатории космического излучения НАСА. Науки о жизни. Космический рез. 8 , 38–51 (2016).

      Артикул

      Google ученый

    40. «>

      Лукас, Б. и Корнфорт, М. Летозависимость от нерепарированных хромосомных повреждений в клетках человека: слишком большой разрыв? Радиация. Рез. 179 , 393–405 (2015).

      Артикул

      Google ученый

    41. Слаба Т.С. и др. Эталонное поле симулятора GCR и спектральный подход для лабораторного моделирования (2015 г.).

    42. Чанселлор, Дж. К., Гутерсло, С., Ценгель, К., Форд, Дж. и Кацграбер, Х. Г. Имитация космической радиационной среды для испытаний материалов и радиобиологических экспериментов. Пепринт на arXiv: 1706.02727 (2017).

    43. Элмор, Х., Кападиа, Р., Свит, М. и Редпат, Дж. Неопластическая трансформация in vitro с помощью смешанных пучков высокоэнергетических ионов железа и протонов. Радиация. Рез. 176 , 291–302 (2011).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    44. «>

      Кеннеди, А. Р. Биологическое воздействие космической радиации и разработка эффективных мер противодействия. Науки о жизни. Космический рез. 1 , 10–43 (2014).

      Артикул

      Google ученый

    45. Romero-Weaver, A.L., Wan, X.S., Diffenderfer, E.S., Lin, L. & Kennedy, A.R. Влияние SPE-подобного протонного или фотонного излучения на кинетику клеток периферической крови мыши и определения биологической эффективности излучения. Астробиология 13 , 570–577 (2013).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    46. Кутракон Г. и др. Моделирование 36-часового события с солнечными частицами в LLUMC с использованием системы сканирования протонного луча. Нукл. Инструм. Методы физ. Рез. Разд. B 261 , 791–794 (2007).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    47. «>

      Ким, М.-Х. Ю., Джордж, К.А. и Кучинотта, Ф.А. Оценка риска рака кожи для лунных и марсианских миссий. Доп. Космический рез. 37 , 1798–1803 (2006).

      Артикул

      Google ученый

    48. Биллингс, М., Юкер, В. и Хекман, Б. Анализ данных самозащиты тела . TR MDC-G4131 (Космический центр имени Джонсона НАСА, Хьюстон, Техас, 1973 г.).

    49. Wilson, J.W. et al. Проблемы радиационной защиты космического пространства: галактические космические лучи. Здоровье Физ. 68 , 50–58 (1995).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    50. Кеннеди, А. Р., Дэвис, Дж. Г., Карлтон, В. и Уэр, Дж. Х. Влияние пищевых антиоксидантных добавок на развитие злокачественной лимфомы и других неопластических поражений у мышей, подвергшихся воздействию протонного или железоионного излучения. Радиация. Рез. 169 , 615–625 (2008).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    51. Паганетти, Х. Ядерные взаимодействия в протонной терапии: распределение дозы и относительного биологического эффекта от первичных и вторичных частиц. Физ. Мед. биол. 47 , 747–764 (2002).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    52. Слейтер, Дж. Д. Клиническое применение лечения протонным излучением в Университете Лома Линда: обзор пятнадцатилетнего опыта. Техн. Рак рез. Удовольствие. 5 , 81–89 (2006).

      Артикул
      пабмед

      Google ученый

    53. Тилли, Н. и др. Влияние вариаций ОБЭ на план клинического протонного лечения рака гортаноглотки. Физ. Мед. биол. 50 , 2765–2777 (2005).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    54. Wambi, C. O. et al. Защитное действие пищевых антиоксидантов на опосредованное протонным облучением гемопоэтических клеток и выживаемость животных. Радиация. Рез. 172 , 175–186 (2009).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    55. Санзари, Дж. К. и др. Острые гематологические эффекты протонного излучения солнечных частиц в модели свиньи. Радиация. Рез. 180 , 7–16 (2013).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    56. Санзари, Дж. К., Ван, С. X., Диффендерфер, Э. С., Ценгель, К. А. и Кеннеди, А. Р. Относительная биологическая эффективность протонного излучения, моделируемого солнечными частицами, для индукции острых гематологических изменений в модели свиньи. Дж. Радиат. Рез. 55 , 228–244 (2014).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    57. Little, M. P. et al. Систематический обзор эпидемиологических ассоциаций между низкими и умеренными дозами ионизирующего излучения и поздними сердечно-сосудистыми последствиями и их возможными механизмами. Радиация. Рез. 169 , 99–109 (2008).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    58. Гаврилевски, А. Проблемы с моделями животных. Ученый 21 , 45–51 (2007).

      Google ученый

    59. Williams, J.P. et al. Животные модели для медицинских противодействий радиационному облучению. Радиация. Рез. 173 , 557–578 (2010).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    60. «>

      Хакам, Д. Г. и Редельмайер, Д. А. Перевод данных исследований с животных на человека. JAMA 296 , 1731–1732 (2006 г.).

      КАС
      пабмед

      Google ученый

    61. Перель, П. и др. Сравнение эффектов лечения между экспериментами на животных и клиническими испытаниями: систематический обзор. BMJ 334 , 197 (2007).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    62. Хакам, Д. Г. Превращение исследований на животных в клиническую пользу. Бр. Мед. J. 334 , 163–164 (2007).

      Артикул

      Google ученый

    63. Лоренц, Э. и Конгдон, К.С. Радиоактивность, биологические эффекты ионизирующих излучений. Annu Rev. Med . 5 , 323–338 (1954).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    64. «>

      Миллер, К.П. и Хаммонд, К.В. Роль инфекции в радиационном поражении. Пер. доц. Являюсь. Врачи 63 , 155–160 (1950).

      КАС
      пабмед

      Google ученый

    65. Бун, И. У., Вудворд, К. Т. и Харрис, П. С. Связь между бактериемией и смертью у мышей после воздействия рентгеновских лучей и термоколонки. J. Бактериол. 71 , 188–195 (1956).

      КАС
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    66. Кригсфельд, Г. С., Сэвидж, А. Р., Биллингс, П. К., Лин, Л. и Кеннеди, А. Р. Доказательства радиационно-индуцированного диссеминированного внутрисосудистого свертывания крови как основной причины радиационно-индуцированной смерти у хорьков. IJROBP 88 , 940–946 (2014).

      Google ученый

    67. Кригсфельд, Г., Шах, Дж. , Санзари, Дж., Лин, Л. и Кеннеди, А. Доказательства диссеминированного внутрисосудистого свертывания в модели свиньи после радиационного облучения. Науки о жизни. Космический рез. 3 , 1–9 (2014).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    68. Krigsfeld, G. S. & Kennedy, A. R. Является ли диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови основной причиной смертности от облучения при относительно низких дозах облучения всего тела? Радиация. Рез. 180 , 231–234 (2013).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    69. Кригсфельд, Г. С., Санзари, Дж. К. и Кеннеди, А. Р. Влияние протонного излучения на протромбиновое и частичное тромбопластиновое время облученных хорьков. Междунар. Дж. Радиат. биол. 88 , 327–334 (2012).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    70. «>

      Krigsfeld, G. S. et al. Механизм гипокоагуляции у хорьков, облученных протонами. Междунар. Дж. Радиат. биол. 89 , 823–831 (2013).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    71. Макс, С.Дж. и др. Анализ количества лейкоцитов у мышей после гамма- или протонного облучения. Радиация. Рез. 176 , 170–176 (2011).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    72. Санзари, Дж. и др. Влияние гамма- и протонного облучения на количество гемопоэтических клеток в модели хорьков. Гравит. Космический рез. 1 , 79–94 (2013).

      ПабМед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    73. Санзари, Дж. К., Уилсон, Дж. М., Вагнер, Э. Б. и Кеннеди, А. Р. Комбинированное воздействие снижения нагрузки и ионизирующего излучения на популяцию и функцию лимфоцитов селезенки. Междунар. Дж. Радиат. биол. 87 , 1033–1038 (2011).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    74. Wilson, J.M. et al. Сравнение моделей разгрузки задних конечностей и частичного подвешивания веса для эффектов, вызванных состоянием космического полета, на лейкоциты. Доп. Космический рез. 49 , 237–248 (2012).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    75. Левин, Д. С. и Гринлиф, Дж. Э. Иммуносупрессия во время космического полета. Авиа. Космическая среда. Мед. 69 , 172–177 (1998).

      КАС
      пабмед

      Google ученый

    76. Карась, Б. и др. Аналоги земного стресса для нарушения регуляции иммунной системы, связанной с космическим полетом. Поведение мозга. Иммун. 39 , 23–32 (2014).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    77. Pagel, J. I. & Choukèr, A. Влияние изоляции и заключения на людей — значение для пилотируемых космических исследований. J. Appl. Физиол. 120 , 1449–1457 (2016).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    78. Алехова Т.А. и др. Разнообразие бактерий рода Bacillus на борту международной космической станции. Докл. Биохим. Биофиз. 465 , 347–350 (2015).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    79. Пирсон Д. Л. Микробное заражение космических аппаратов. Гравит. Космическая биол. Бык. 14 , 1–6 (2001).

      КАС
      пабмед

      Google ученый

    80. Норбиато, Г., Ваго, Т. и Баттоккио, Л. Микробное и грибковое загрязнение способствует физическому стрессу в космическом полете: исследования на Евромир-95 миссия. Дж. Гравит. Физиол. 5 , P145–P146 (1998).

      КАС
      пабмед

      Google ученый

    81. Mermel, L. A. Профилактика инфекций и борьба с ними во время длительных космических полетов человека. клин. Заразить. Дис. 56 , 123–130 (2013).

      Артикул
      пабмед

      Google ученый

    82. Ли, М. и др. Антибиотик широкого спектра действия или Г-КСФ в качестве потенциальной контрмеры для нарушения контроля над бактериальной инфекцией, связанной с воздействием ТФЭ во время космического полета. PLoS One 10 , e0120126 (2015 г.).

      Артикул
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    83. Ли, М. и др. Подвешивание задних конечностей и ТПЭ-подобное облучение ухудшают устранение бактериальных инфекций. PLoS One 9 , e85665 (2014 г.).

      Артикул
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    84. Zhou, Y. et al. Влияние солнечной радиации и подвешивания задних конечностей на бактериальную транслокацию желудочно-кишечного тракта и иммунную активацию. PLoS One 7 , e44329 (2012 г.).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    85. ДиКарло, А. Л. и др. Медицинские меры противодействия радиационному сочетанному поражению: облучение с ожогом, взрывом, травмой и/или сепсисом. отчет о семинаре NIAID, 26-27 марта 2007 г. Radiat. Рез. 169 , 712–721 (2008).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    86. «>

      Национальный совет по радиационной защите и измерениям (NCRP). Потенциальное влияние индивидуальной генетической предрасположенности и предыдущего радиационного облучения на радиационный риск для космонавтов. Тех. Респ. № 167 . (Национальный совет по радиационной защите и измерениям, Бетесда, Мэриленд, 2011 г.).

      Google ученый

    87. Beir, V. Риски для здоровья в результате воздействия низких уровней ионизирующего излучения: BEIR VII Фаза 2 . (Издательство Национальных академий, Вашингтон, 2006 г.).

      Google ученый

    88. Shavers, M. R. et al. Внедрение радиационной защиты ALARA на МКС за счет увеличения полиэтиленовой защиты помещений экипажа служебного модуля. Доп. Космический рез. 34 , 1333–1337 (2004).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    89. «>

      Лонгнекер, Д. Э., Мэннинг, Ф. Дж., Уорт, М. Х. (ред.) Обзор долгосрочного исследования здоровья астронавтов НАСА . (Издательство Национальных академий, Институт медицины США, Вашингтон, 2004 г.). OCLC: ocm55201397.

      Google ученый

    90. Блейкли, Э. А. и Чанг, П. Ю. Обзор наземной радиобиологии тяжелых ионов, имеющих отношение к оценке риска космической радиации. Часть II: сердечно-сосудистые и иммунологические эффекты. Доп. Космический рез. 40 , 461–469 (2007).

      Артикул

      Google ученый

    91. Кеннеди, А. и Ван, X. Противодействие неблагоприятным биологическим эффектам, вызванным космической радиацией. Доп. Космический рез. 48 , 1460–1479 (2011).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    92. Кучинотта, Ф. А. и Какао, Э. Модели нецелевых эффектов предсказывают значительно более высокий риск рака во время марсианской миссии, чем модели целевых эффектов. Науч. 7 , 1832–1843 (2017).

      Артикул
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    93. Хафф, Дж. и Кучинотта, Ф. Риск сердечно-сосудистых заболеваний и других дегенеративных эффектов тканей в результате воздействия радиации и вторичных стрессоров космического полета . TR NASA/SP-2009-3405 (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Космический центр Джонсона, Хьюстон, Техас, 2009 г.).

    94. Бендер, М., Гуч, П. и Кондо, С. Эксперимент по взаимодействию космического полета и излучения Gemini-3 s-4. Радиация. Рез. 31 , 91–111 (1967).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    95. Федоренко Б. и др. Цитогенетические исследования лимфоцитов крови космонавтов после длительных космических полетов на станции «Мир». Доп. Космический рез. 27 , 355–359 (2001).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    96. Testard, L. et al. Радиационное повреждение хромосом в лимфоцитах космонавтов. Междунар. Дж. Радиат. биол. 70 , 403–411 (1967).

      Артикул

      Google ученый

    97. Джордж К. и Кучинотта Ф. Биологическая дозиметрия у астронавтов . Тех. Представитель АО-CN-23294 (Космический центр Джонсона НАСА, Хьюстон, 2011 г.).

      Google ученый

    98. Хафф, Дж. . и др. Риск радиационного канцерогенеза . Тех. Представитель JSC-CN-35748 (Программа исследований человека, Космический центр НАСА имени Джонсона, Хьюстон, Техас, 2016 г. ).

    99. Belli, M., Cherubini, R. & Dalla Vecchia, M. Фрагментация ДНК в клетках v79, облученных легкими ионами, по данным гель-электрофореза в пульсирующем поле: I. экспериментальные результаты. Междунар. Дж. Радиат. биол. 78 , 475–482 (2002).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    100. Хада, М., Кучинотта, Ф., Гонда, С. и Ву, Х. m-диапазонный анализ хромосомных аберраций в эпителиальных клетках человека, подвергшихся низко- и высоколетнему облучению. Радиация. Рез. 168 , 98–105 (2007).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    101. Johannes, C., Horstmann, M. & M, D. Внутренние и взаимозамены хромосом, обнаруженные с помощью многоцветных полос в лимфоцитах: поиск сигнатур кластогена в геноме человека. Радиация. Рез. 161 , 540–548 (2007).

      Артикул

      Google ученый

    102. Кучинотта, Ф., Ким, М. и Чаппелл, Л. Прогнозы риска развития рака из-за космического излучения и неопределенности – 2012 . Тех. Представитель NASA/TP-2013-217375 (Космический центр Джонсона НАСА, Хьюстон, 2012 г.).

      Google ученый

    103. Александров Л.Б. и др. Мутационные сигнатуры, связанные с курением табака при раке человека. Наука 354 , 618–622 (2016).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    104. Аззам, Э.И., Джей-Герин, Ж.-П. & Pain, D. Метаболический окислительный стресс, вызванный ионизирующим излучением, и длительное повреждение клеток. Рак Летт. 327 , 48–60 (2012).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    105. «>

      Риццо, А. М. и др. Влияние длительного космического полета на эритроциты и окислительный стресс грызунов. PLoS One 7 , e32361 (2012 г.).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    106. Buonanno, M., de Toledo, S.M., Pain, D. & Azzam, E.I. Долгосрочные последствия радиационно-индуцированных эффектов свидетелей зависят от качества и дозы радиации и коррелируют с окислительным стрессом. Радиация. Рез. 175 , 405–415 (2011).

      КАС
      Статья
      пабмед
      ПабМед Центральный

      Google ученый

    107. Мацумото, Х., Томита, М., Оцука, К. и Хатасита, М. Новая парадигма радиоадаптивного ответа, развивающаяся на основе исследований с использованием микролучей. Дж. Радиат. Рез. 50 (Приложение A), A67–A79 (2009 г.).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    108. «>

      Саганти, П. Б., Кучинотта, Ф. А., Уилсон, Дж. В., Клегхорн, Т. Ф. и Цейтлин, С. Дж. Модельные расчеты спектра частиц среды галактических космических лучей (ГКЛ): оценка с помощью измерений ace/cris и marie. Радиация. Изм. 41 , 1152–1157 (2014).

      Артикул

      Google ученый

    109. Хардинг, Р. Продромальные эффекты радиации: пути, модели и защита противорвотными средствами. Фармакол. тер. 39 , 335–345 (1988).

      КАС
      Статья
      пабмед

      Google ученый

    110. Моррис, М. и Джонс, Т. Сравнение моделей доза-реакция для смерти от гематологической депрессии у разных видов. Междунар. Дж. Радиат. биол. 53 , 439–456 (1988).

      КАС
      Статья

      Google ученый

    Ссылки на скачивание

    Благодарности

    H.G.K. признает поддержку со стороны NSF (грант № DMR-1151387). Часть работы H.G.K. и J.C.C. был основан на работе, поддерживаемой Управлением директора национальной разведки (ODNI), Проектом перспективных разведывательных исследований (IARPA) в рамках Межведомственного зонтичного соглашения IA1-119.8. Взгляды и выводы, содержащиеся в настоящем документе, принадлежат авторам и не должны интерпретироваться как обязательно отражающие официальную политику или одобрение, выраженное или подразумеваемое, ODNI, IARPA или правительства США. Правительство США имеет право воспроизводить и распространять репринты для правительственных целей, несмотря на какие-либо примечания об авторских правах.

    Информация об авторе

    Авторы и организации

    1. Факультет физики и астрономии, Техасский университет A&M, College Station, TX, 77843-4242, USA

      Jeffery C. Chancellor & Helmut G. Katzgraber

    2. Лаборатория аэрокосмической медицины и вестибулярных исследований, The Mayo Clinic Arizona, Скоттсдейл, Аризона, 85054, США

      Rebecca S. Blue

      3. 7

      Rebecca S. Blue, отделение радиационной онкологии Медицинский факультет Пенсильванского университета, Филадельфия, Пенсильвания, 19104, США

      Кейт А. Сенгель и Энн Р. Кеннеди

    3. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Космический центр Джонсона, Хьюстон, 77058, США

      Серена М. Ауньон-Ченселлор и Кэтлин Х. Рубинс

    4. Медицинское отделение Техасского университета, Галвестон, Техас, 77555, США

      Серена М. Ауньон-Ченселлор

      5. 1

      5

    5. Информационные технологии , BC, V6B 4W4, Canada

      Helmut G. Katzgraber

    6. Santa Fe Institute, 1399 Hyde Park Road, Santa Fe, NM, 87501, USA

      Helmut G. Katzgraber

    888888888888888888888888888888888888. Канцлер

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  • Rebecca S. Blue

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  • Keith A. Cengel

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  • Серена М. Ауньон-Чанселлор

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  • Kathleen H. Rubins

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  • Helmut G. Katzgraber

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  • Энн Р. Кеннеди

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

    • Contributions

    J.C.C. разработана концепция обзора. J.C.C., K.A.C. и H.G.K. участвовал в обсуждении космической физики. J.C.C., R.S.B., S.M.A. и K.A.C. участвовал в обсуждении оперативного космического излучения. J.C.C., K.A.C. и A.R.K. участвовал в обсуждении дозиметрии. J.C.C., R.S.B., S.M.A., K.H.R. и A.R.K. способствовал обсуждению контрмер. Р.С.Б., С.М.А., К.А.С., К.Х.Р. и А.Р.К. способствовал обсуждению клинических последствий космического излучения для человека. J.C.C., R.S.B., S.M.A., K.A.C., K.H.R. и A.R.K. внес свой вклад в обсуждение космической радиобиологии. J.C.C., R.S.B., S.M.A., K.A.C., K.H.R. и A.R.K. участвовал в обсуждении моделей животных. Р.С.Б., К.Х.Р. и А.Р.К. участвовал в обсуждении генетики. J.C.C., K.A.C. и H.G.K. участвовал в обсуждении вычислительного моделирования. Все авторы в равной степени участвовали в обзоре литературы, обсуждении интерпретации результатов исследований космических полетов и составлении рукописи.

    Автор, ответственный за переписку

    Переписка с
    Джеффри С. Ченселлор.

    Заявление об этике

    Конкурирующие интересы

    Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

    Дополнительная информация

    Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

    Права и разрешения

    Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате, при условии, что вы укажете соответствующую ссылку на оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

    Перепечатка и разрешения

    Об этой статье

    Дополнительная литература

    • Преобладающий вклад дозы, полученной от тяжелых ионов, в индукцию онкогенеза желудочно-кишечного тракта после имитации космического радиационного облучения

      • Шубханкар Суман
      • Сантош Кумар
      • Альберт Дж. Форнас

      Радиационная и экологическая биофизика (2022)

    • г.

      Rad-Bio-App: исследовательская среда для биологов для изучения радиационного облучения, связанного с космическими полетами.

      • Ричард Баркер
      • Сильвен В. Костес 908:00
      • Саймон Гилрой

      нпдж Микрогравитация (2021)

    • Многослойный радиационный экран для защиты электронных компонентов спутников

      • Хамиде Данешвар
      • Кавус Гордой Милан
      • Армин Мосайеби

      Научные отчеты (2021)

      908:00

    • Прогнозирование хромосомных повреждений у астронавтов, участвующих в полетах на международные космические станции.

      • Алан Фейвесон
      • Керри Джордж
      • Хунлу Ву

      Научные отчеты (2021)

    • Сравнительный анализ материалов для пассивной защиты при пилотируемом полете на Марс

      • Анкан Гош Дастидер
      • Свапнил Саха
      • Раджат Чакраборти

      Астрофизика и космонавтика (2021)

      908:00

    Почему НАСА позволяет астронавтам-мужчинам оставаться в космосе дольше, чем женщинам?

    Без защиты земной атмосферы космонавты подвергаются повышенному воздействию высоких уровней ионизирующего излучения.
    (Изображение предоставлено Джонатаном Ноулзом через Getty Images)

    Каждый день Земля осаждается ионизирующим излучением, высокоэнергетическими волнами, которые могут удалять электроны из атомов в теле. Высокие уровни воздействия ионизирующего излучения могут привести к лучевой болезни и раку. К счастью, магнитосфера и атмосфера нашей планеты предотвращают почти все это излучение, генерируемое 9Солнце 2023 года года и галактические космические лучи от взрывающихся звезд — от достижения жизни на поверхности Земли. Но на Международной космической станции (МКС), которая по-прежнему защищена магнитосферой , а не атмосферой, астронавты подвергаются воздействию более высоких уровней ионизирующего излучения, что увеличивает риск развития рака в течение их карьеры.

    Согласно текущим ограничениям, установленным НАСА в 1989 г., предел эффективной дозы для карьеры астронавта основан на максимальном 3% избыточном риске в течение жизни рак смертность. Этот риск оценивается по скользящей шкале в зависимости от возраста и пола, начиная от нижнего предела радиации в 180 миллизивертов (мЗв) для 30-летней женщины до верхнего предела в 700 мЗв для 60-летней женщины. старик.

    Так почему же для женщин-астронавтов установлен более низкий карьерный предел по сравнению с мужчинами-космонавтами?

    По словам Р. Джулиана Престона, специального государственного служащего отдела радиационной защиты Агентства по охране окружающей среды США, нижний радиационный порог НАСА для женщин-астронавтов был основан на следующем открытии: когда женщины и мужчины подвергались воздействию высоких уровней радиация за аналогичные периоды времени, у женщин риск развития рака легких более чем в два раза выше, чем у мужчин , чем у мужчин .

    Связанный: Почему атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, оставила тени людей на тротуарах?

    «Принято считать — на основе в основном выживших после взрыва атомной бомбы в Японии — что женщины, особенно в отношении рака легких, более чувствительны» к ионизирующему излучению, чем мужчины были, сказал Live Science Престон, который работает в комитетах Национального совета по радиологической защите и измерениям.

    Эти рекомендации имели реальные последствия для карьеры. В 2018 году бывшему руководителю отряда астронавтов НАСА Пегги Уитсон, которая публично озвучила свои разочарования ограничениями радиации для женщин-астронавтов, пришлось уйти в отставку новая вкладка) после того, как в возрасте 57 лет она достигла лимита радиационного облучения. В 2021 году НАСА обратилось к группе экспертов, созванной Национальными академиями наук, инженерии и медицины, с просьбой оценить план космического агентства по изменению предела радиации в карьере до 600 мЗв для всех астронавтов всех возрастов. НАСА определило этот предел, применив модель риска рака агентства к наиболее восприимчивым людям: женщинам в начале карьеры. НАСА рассчитало средний риск смерти, вызванной воздействием, для этой группы и преобразовало этот риск, что допускает гораздо большую погрешность, чем раньше, в дозу. Эта доза в 600 мЗв соответствует облучению, которое астронавт получит в течение четырех месяцев. 2023 шестимесячные экспедиции на МКС. Для сравнения, среднегодовая доза радиации, полученная человеком на Земля , составляет около 3,6 мЗв, по данным НАСА , против 300 мЗв в год на МКС.

    Новый предел «снизит дозу для некоторых групп мужчин, особенно мужчин старшего возраста», — сказал Престон, который также был заместителем председателя экспертной группы Национальной академии по оценке рисков рака для пилотируемых космических полетов. «Это означало бы, что у женщин может быть расширенная карьера».

    Комитет, который опубликовал свой отчет в июне 2021 года, состоял из трех групп, которые соответственно анализировали процесс оценки рисков, этические вопросы и распространение новых рекомендаций.

    Связанные тайны

    «Чтобы достичь этого равенства, [женщины] могут получить более высокую дозу, чем они могут сейчас, при более высоком воздействии, чем им разрешено в настоящее время», — сказал Престон. «Мы подробно обсуждали это как этическую проблему. Это вопрос баланса между тем, каким может быть воздействие этой немного более высокой дозы, и равенством карьерных возможностей. Мы предложили НАСА продолжить этот подход».

    Предложенный НАСА план действительно включает в себя отмену лимита облучения для более длительных миссий, таких как возможное путешествие на Марс, в результате которого астронавты получат примерно 900 мЗв. Эта доза, однако, вероятно, меньше пределов облучения в 1000 мЗв , которые европейские, канадские и российские космические агентства в настоящее время установили для своих астронавтов.

    «Если [НАСА] решит, что это критическая миссия, и есть определенные астронавты, критически важные для этой миссии, которые превысят их карьерный опыт, НАСА может применить к этому освобождение, и это было встроено в их общее [воздействие ] стандарт», — сказал Престон. «[Это] довольно сложный этический вопрос, но он необходим для того, чтобы отправиться на Марс».

    Первоначально опубликовано на Live Science.

    Джон Арнст — независимый научный писатель и редактор из Вашингтона, округ Колумбия. Он пишет обо всех уголках наук о жизни, до которых может дотянуться, и большую часть его работ можно найти в журнале Американского общества биохимии и молекулярной биологии, где он был штатным автором в течение четырех лет. У него есть степени по английской литературе и биологии Университета Флориды и два очень громких черных кота.

    Космическая радиация: стоит ли беспокоиться тем, кто часто летает?

    Загрузка

    Подробнее | Человеческое тело

    Космическая радиация: стоит ли беспокоиться тем, кто часто летает?

    Катя Москвич, 23 ноября 2013 г.

    Когда мы летим, нас бомбардирует излучение сверхновых и других космических источников — насколько мы должны быть обеспокоены?

    O

    Однажды, незадолго до посадки на рейс из Парижа в Монреаль, я впервые задумался о рисках полета. Меня беспокоил не страх отказа двигателя или столкновения с горой. Скорее я понял, что собирался сделать свои 39путешествие на самолете в году, и в результате я подвергал себя более высокому, чем обычно, уровню радиации из космоса.

    Как и большинство отдыхающих, я проверил прогноз погоды. Но теперь, ожидая посадки в самолет, я задавался вопросом, не следует ли мне и другим часто летающим пассажирам больше заботиться о проверке космической погоды перед взлетом.

    Земля постоянно подвергается бомбардировке высокоскоростными субатомными частицами. Они взаимодействуют с атмосферой и магнитным полем нашей планеты, генерируя космическое излучение, которое обрушивается на нас дождем. Наши уровни воздействия повышаются, когда мы путешествуем на самолете, особенно на больших высотах и ​​широтах.

    Что известно ученым об опасностях, которые может представлять космическое излучение во время регулярных полетов, и что могут сделать авиационные власти или пассажиры, чтобы минимизировать риск?

    Космическое излучение состоит в основном из протонов и ядер гелия, происходящих за пределами нашей галактики. Ученые долго размышляли об их происхождении, и вероятными кандидатами были мощные события, такие как столкновения звезд, гамма-всплески, черные дыры и сверхновые — взрывы, знаменующие смерть крупных звезд. Ранее в этом году американские астрономы пришли к выводу, что сверхновые действительно были значительным источником космического излучения, попадающего на Землю. Частицы, выбрасываемые нашим Солнцем, являются еще одним источником.

    Эти субатомные частицы могут иметь как низкую, так и высокую энергию. Многие из них отклоняются магнитосферой Земли, без которой космические лучи довольно быстро уничтожили бы сложные формы жизни, повредив ткани, ДНК и вызвав смертельную лучевую болезнь. Только космические лучи очень высоких энергий могут достигать нашей атмосферы на широтах, близких к экватору, а лучи с меньшей энергией могут достигать полярных широт.

    Те, что проникают через магнитный щит Земли, сталкиваются с азотом, кислородом и другими атомами в воздухе, создавая высокоэнергетические и невидимые потоки ионизированных «вторичных частиц», которые каскадом обрушиваются на нас в огромном количестве, проникая во все и всех. Атмосфера обеспечивает хорошую защиту для тех, кто находится на земле, потому что частицы, попадающие в нее, подвергаются большему количеству столкновений с атомами, но воздействие больше на больших высотах, потому что воздух тоньше.

    Шок тела

    Что это может сделать с телом? Космическое излучение является ионизирующим, что означает, что вовлеченные частицы обладают достаточной энергией, чтобы выбить заряженные частицы из атомов, что потенциально может вызвать химические изменения в тканях тела, которые могут увеличить риск развития рака и генетических аномалий.

    Хотя это может звучать пугающе, следует пояснить, что мы регулярно подвергаемся воздействию низких доз ионизирующего излучения в других формах без видимых последствий для здоровья в подавляющем большинстве случаев – от радона в воздухе, природных радиоактивных веществ в землю, такую ​​как уран, строительные материалы и во время медицинских процедур.

    Риски, связанные с последствиями для здоровья людей в результате воздействия ионизирующего излучения любого рода – будь то космические лучи, атомная электростанция, рентгеновский аппарат или сканер всего тела в аэропорту – измеряются в зивертах или бэрах (1 зиверт равен 100 бэр). «Существуют такие же потенциальные риски», — говорит майор Алан Хейл из Школы аэрокосмической медицины ВВС США, базирующейся на базе ВВС Райт-Паттерсон, штат Огайо. «Оценки риска для здоровья основаны на частоте, продолжительности и уровне интенсивности».

    В среднем человек на Земле подвергается воздействию около 350 миллибэр (мбэр) в год. Средняя годовая доза для граждан США составляет 620 мбэр, по данным Национального совета США по радиационной защите и измерениям. Около половины этого количества приходится на искусственные источники, такие как рентген, маммография и компьютерная томография, а другая половина поступает из естественных источников, из которых только около 9% приходится на космическое излучение.

    Уровни воздействия космического излучения во время полетов варьируются в зависимости от высоты, широты и космической погоды в данный момент. Как правило, пассажиры, летящие из Лондона в Чикаго, могут подвергнуться воздействию около 4,8 млн бэр, а те, кто летит из Вашингтона в Лос-Анджелес, будут подвергаться воздействию около 2 млн бэр. Это сопоставимо со сканером тела в аэропорту, который дает около 0,1 мбэр, и рентгеном грудной клетки, который может варьироваться от 2 мбэр до 10 мбэр.

    Поскольку люди путешествуют все чаще и на большие расстояния, частые путешественники должны знать об уровнях воздействия, говорит Майк Локвуд, профессор физики космической среды в Университете Рединга в Великобритании. «Не нужно паниковать, но космическое излучение нельзя игнорировать», — говорит он.

    Ваш маршрут полета особенно важно учитывать, потому что воздействие увеличивается в более высоких широтах. Поскольку частицы космического излучения заряжены, они отклоняются к Северному и Южному полюсам силовыми линиями магнитного поля Земли. На этих широтах силовые линии магнитного поля ближе к вертикали, что облегчает проникновение частиц космических лучей в атмосферу.

    Авиакомпании, однако, предпочитают полярные маршруты, потому что они короче и слабее встречный ветер, а значит, меньше время в пути и меньше затраты на топливо. Ряд рейсов из США в северную Европу и Азию проходят прямо над Северным полюсом — например, из Сан-Франциско в Париж. То же самое касается рейсов, скажем, из Сантьяго в Чили в Сидней в Австралии, которые пересекают Южный полюс. «Авиакомпании меняют персонал вокруг маршрутов полетов, поэтому никто не занимается исключительно полярными маршрутами», — говорит Локвуд.

    Рискованный бизнес

    В США с 1994 года Федеральное авиационное управление официально причисляет пилотов и бортпроводников к «радиационным работникам». Персонал, регулярно выполняющий полеты в высоких широтах, подвергается большему облучению, чем работники атомной энергетики растения. Несмотря на это, авиакомпании не измеряют радиационное облучение своего персонала и не устанавливают безопасные пределы доз, которые они могут безопасно получить.

    Летные экипажи провели много исследований связи между космическим излучением и рисками для здоровья, особенно раком. Однако попытка выяснить, связаны ли небольшие дополнительные дозы ионизирующего излучения с реальным заболеванием, далеко не однозначна.

    В 2002 году скандинавские исследователи проанализировали данные 10 000 мужчин-пилотов авиакомпаний за 17 лет и обнаружили, что у них повышен риск развития меланомы и рака простаты. Однако благотворительная организация Cancer Research UK говорит, что это может быть связано с другими факторами образа жизни, такими как то, что пилоты проводят больше времени на солнечных ваннах, чем средний человек.

    Две разные группы ученых из Японии и Италии объединили свои усилия в 2006 году, чтобы изучить риски для здоровья женщин-членов летного экипажа от космического излучения. Они обнаружили, что женщины, работающие в самолетах, чаще, чем в среднем, заболевают раком молочной железы и меланомой, но опять же авторы признали, что не могут быть уверены, что это связано с космическими лучами. Мета-анализ, опубликованный в прошлом году в Журнале радиологической защиты, пришел к выводу, что общий риск рака не был повышен, но что «злокачественная меланома, другие виды рака кожи и рак молочной железы у женщин-членов экипажа показали повышенную заболеваемость».

    Однако большинству пассажиров самолетов не о чем слишком беспокоиться, если только они не летают регулярно над полюсами, — говорит Локвуд. По его словам, даже несмотря на то, что их воздействие может превысить рекомендуемую годовую дозу, эти пределы были установлены намного ниже уровня, который может вызвать реальные проблемы со здоровьем. Более опасным было бы проводить много времени в Корнуолле, Великобритания, где природный газ радон, просачивающийся из-под земли, означает, что жители подвергаются воздействию 780 мбэр в год, что почти в три раза превышает средний показатель по стране.

    И хотя некоторые опасаются, что нерожденные дети могут подвергаться риску космического излучения во время полетов, это маловероятно, если женщины не летают несколько раз в неделю, по данным Американской ассоциации аэрокосмической медицины.

    Солнечная ловушка

    Однако бывают случаи, когда космическое излучение становится более серьезной проблемой из-за излучения нашего Солнца. Обычно солнечные энергетические частицы (СЭП), которые достигают нас, имеют низкую энергию, но Солнце темпераментно.

    Уровни излучения и яркости нашей звезды различаются, причем пики обоих происходят примерно каждые 11 лет. Чем больше солнечных пятен появляется на поверхности, тем активнее становится солнце и тем больше протонов оно посылает в нашу сторону. Но у Солнца также есть гораздо более длинные фазы, и в настоящее время оно находится в большом солнечном максимуме — фазе, начавшейся в 1920-х годах. Во время этой фазы пики солнечного цикла больше, и более часты огромные магнитные бури на поверхности Солнца, называемые выбросами корональной массы (CME) или солнечными вспышками. Эти события наполняют космос потоками высокоэнергетических протонов и электронов, часть из которых быстро достигает Земли.

    Измерения показывают, что солнечная активность в последнее время начала снижаться, и прошлый опыт показывает, что она продолжит падать в ближайшие десятилетия. Как только Солнце покинет свой великий максимум, солнечных бурь станет меньше, но теория предполагает, что те, которые случаются, могут быть более мощными, выбрасывая более опасные высокоэнергетические частицы в нашем направлении. Короче говоря, пассажирам следует ожидать более высоких доз облучения в ближайшие десятилетия.

    «События, связанные с солнечными энергетическими частицами, трудно оценить, но пребывание в высоких широтах во время сильной солнечной бури было бы большой дозой», — говорит Локвуд. «Нет исследований, которые указывают фактический фактор риска, но вы, конечно, не хотели бы, чтобы это произошло дважды с одним человеком».

    Люди, которым не повезло попасть в такое событие, должны быть проинформированы, добавляет он. «Для них было бы неразумно рисковать вторым таким облучением, и хорошей идеей были бы более регулярные проверки здоровья, как мы уже делаем в отношении признанных радиационных работников». По данным НАСА, сильная солнечная буря в конце октября 2003 года подвергла пассажиров полярных рейсов — например, из Чикаго в Пекин — облучению, значительно превышающему предел, рекомендованный Международной комиссией по радиологической защите.

    Космическое прогнозирование

    Очень немногие пассажиры проверяют космическую погоду во время полета, но авиакомпании это делают. В некоторых случаях они изменили траектории полета в более низкие широты из-за предсказанной солнечной активности, особенно событий SEP во время солнечных вспышек. «Самая насущная причина этого заключается в том, что SEP вызывают отключение радио», — говорит Локвуд.

    Так что же могут сделать пассажиры, обеспокоенные воздействием космического излучения, кроме прекращения полетов? Могли бы они предпочесть сидеть в тех частях самолетов, которые подвержены меньшей дозе частиц, или летать только ночью, чтобы поместить Землю между собой и Солнцем? К сожалению, все сиденья в самолетах подвержены одинаковому воздействию, а воздействие ночью такое же высокое.

    Можно ли экранировать самолеты? Ведь каюты экипажа на борту Международной космической станции, расположенной на окраине магнитосферы Земли, облицованы полиэтиленом высокой плотности толщиной в несколько сантиметров. Атомы водорода в нем отлично поглощают и рассеивают излучение.

    Авиационная отрасль все чаще использует композиты на основе углеродного волокна для изготовления самолетов из-за их прочности и малого веса. Это гораздо лучшая защита от космического излучения, чем стандартный алюминий и металлы в целом, говорит физик Нассер Баргути из Центра космических полетов НАСА имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама.

    Тем временем в Институте гражданской аэрокосмической медицины Федерального авиационного управления США есть онлайн-инструмент, который позволяет заинтересованным лицам рассчитать уровни облучения космическим излучением на определенных маршрутах.

    Космическое излучение бывает самых разных форм на разных уровнях энергии, и расчет воздействия малых доз радиации на здоровье конкретных людей сложен и неизбежно требует упрощения и оценки. Исследование, которое было проведено среди тех, кто летает чаще всего — членов экипажа, — далеко не окончательные.

    Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что тем, кто время от времени летает, не о чем беспокоиться.