Защита земли от радиации из космоса. Естественный радиационный фон. Космическое излучение
Все организмы с момента своего появления на Земле существовали, развивались и эволюционировали при постоянном воздействии радиации. Радиация - это такое же естественное природное явление, как ветер, приливы и отливы, дождь и т. п.
Естественный радиационный фон (ЕРФ) присутствовал на Земле на всех этапах ее формирования. Он был задолго до того, как появилась жизнь, а затем и биосфера. Радиоактивность и сопровождающие ее ионизирующие излучения явились фактором, оказавшим влияние на современное состояние биосферы, эволюцию Земли, жизнь на Земле и элементный состав Солнечной системы. Любой организм подвергается воздействию характерного для данной местности радиационного фона. До 1940-х гг. он был обусловлен двумя факторами: распадом радионуклидов естественного происхождения, находящихся как в среде обитания данного организма, так и в самом организме, и космическими лучами.
Источники естественной (природной) радиации - это космос и природные радионуклиды, содержащиеся в естественной форме и концентрации во всех объектах биосферы: почве, воде, воздухе, минералах, живых организмах и т. д. Любой из окружающих нас предметов и мы сами в абсолютном смысле слова радиоактивны.
Основную дозу облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения проникают к поверхности земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (в этом случае говорят о внешнем облучении) или они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или воде и попасть внутрь организма (такой способ облучения называют внутренним).
Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли. Это зависит, в частности, от того, где люди живут Уровень радиации в некоторых местах земного шара, особенно там, где залегают радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах - ниже. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом, путем внешнего облучения.
Естественный радиационный фон формируется космическим излучением (16%) и излучением, создаваемым рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приземном воздухе, почве, воде, растениях, продуктах питания, в организмах животных и человека, (84%). Техногенный радиационный фон связан главным образом с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых, а также с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой.
Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, оказывающий существенное воздействие на жизнедеятельность человека. Естественный радиационный фон колеблется в широких пределах в различных регионах Земли. Эквивалентная доза в организме человека в среднем 2 мЗв = 0,2 бэр. Эволюционное развитие показывает, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности человека, животных, растений. Поэтому при оценке опасности, обусловленной ионизирующим излучением, крайне важно знать характер и уровни облучения от различных источников.
Поскольку радионуклиды, как и любые атомы, образуют в природе определенные соединения и в соответствие со своими химическими свойствами входят в состав определенных минералов, то распределение естественных радионуклидов в земной коре неравномерно. Космическое излучение, как говорилось выше, также зависит от ряда факторов и может отличаться в несколько раз. Таким образом, естественный радиационный фон в разных местах земного шара разный. С этим связана условность понятия «нормальный радиационный фон»: с высотой над уровнем моря фон увеличивается за счет космического излучения, в местах выхода на поверхность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также выше и так далее. Поэтому можно говорить лишь о среднем естественном радиационном фоне для данной местности, территории, страны и т. д.
Среднее значение эффективной дозы, получаемое жителем нашей планеты от природных источников за год, составляет 2,4 мЗв .
Примерно 1/3 этой дозы формируется за счет внешнего излучения (примерно поровну от космоса и от радионуклидов) и 2/3 обусловлены внутренним облучением, то есть природными радионуклидами, находящимися внутри нашего организма. Средняя удельная активность человека составляет около 150 Бк/кг. Естественный радиационный фон (внешнее облучение) на уровне моря в среднем составляет около 0,09 мкЗв/ч. Это соответствует примерно 10 мкР/ч.
Космическое излучение - это поток ионизирующих частиц, который падает на Землю из космического пространства. В состав космического излучения входят:
Космическое излучение состоит из трех компонентов, различающихся происхождением:
1) излучение частиц, захваченных магнитным полем Земли;
2) галактическое космическое излучение;
3) корпускулярное излучение Солнца.
Излучение заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли - на расстоянии 1,2-8 земных радиусов расположены так называемые радиационные пояса, содержащие протоны с энергией 1-500 МэВ (в основном 50 МэВ), электроны с энергией около 0,1-0,4 МэВ и незначительное количество альфа-частиц.
Состав. Галактические космические лучи состоят в основном из протонов (79 %) и α-частиц (20 %), что отражает распространенность водорода и гелия во Вселенной. Из числа тяжелых ионов наибольшее значение имеют ионы железа вследствие относительно высокой интенсивности и большого атомного числа.
Происхождение. Источниками галактических космических лучей являются звездные вспышки, взрывы сверхновых, пульсарное ускорение, взрывы галактических ядер и т. п.
Время жизни. Время существования частиц в космическом излучении - порядка 200 млн лет. Удержание частиц происходит за счет магнитного поля межзвездного пространства.
Взаимодействие с атмосферой . Входя в атмосферу, космические лучи взаимодействуют с атомами азота, кислорода и аргона. Столкновения частиц с электронами происходят чаще, чем с ядрами, но при этом высокоэнергичные частицы теряют мало энергии. При столкновениях же с ядрами частицы практически всегда выбывают из потока, поэтому ослабление первичного излучения практически полностью обусловлено ядерными реакциями.
При столкновении протонов с ядрами из ядер выбиваются нейтроны и протоны, идут реакции расщепления ядер. Образующиеся вторичные частицы обладают значительной энергией и сами индуцируют такие же ядерные реакции, т. е. происходит формирование целого каскада реакций, образуется так называемый широкий атмосферный ливень. Одна первичная частица высокой энергии может породить ливень, включающий десять последовательных поколений реакций, в которых рождаются миллионы частиц.
Новые ядра и нуклоны, составляющие ядерно-активный компонент излучения, образуются в основном в верхних слоях атмосферы. В ее нижней части поток ядер и протонов значительно ослабляется за счет ядерных столкновений и далее - потерь на ионизацию. На уровне моря он формирует только единицы процентов мощности дозы.
Космогенные радионуклиды
В результате ядерных реакций, идущих под влиянием космических лучей в атмосфере и частично в литосфере, образуются радиоактивные ядра. Из них в создание дозы наибольший вклад вносят (β-излучатели: 3 H (Т 1/2 = 12,35 лет), 14 C (T 1/2 = 5730 лет), 22 Na (T 1/2 = 2,6 лет), - поступающие в организм человека вместе с пищей. Как следует из приведенных данных, наибольший вклад в облучение вносит углерод-14. Взрослый человек потребляет с пищей ~ 95 кг углерода в год.
Солнечное излучение, состоящее из электромагнитного излучения вплоть до рентгеновского диапазона, протонов и альфа-частиц;
Перечисленные виды излучения являются первичными, они почти полностью исчезают на высоте около 20 км вследствие взаимодействия с верхними слоями атмосферы. При этом образуется вторичное космическое излучение, которое достигает поверхности Земли и воздействует на биосферу (в том числе на человека). В состав вторичного излучения входят нейтроны, протоны, мезоны, электроны и фотоны.
Интенсивность космического излучения зависит от ряда факторов:
Изменений потока галактического излучения,
Активности солнца,
Высоты над уровнем моря.
В зависимости от высоты интенсивность космического излучения резко возрастает.
Радионуклиды земной коры.
В земной коре рассеяны долгоживущие (с периодом полураспада в миллиарды лет) изотопы, которые не успели распасться за время существования нашей планеты. Они образовались, наверное, одновременно с образованием планет Солнечной системы (относительно короткоживущие изотопы распались полностью). Эти изотопы называются естественными радиоактивными веществами, это значит такими, которые образовались и постоянно вновь образовываются без участия человека. Распадаясь, они образуют промежуточные, также радиоактивные, изотопы.
Внешними источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, находящихся в биосфере Земли. Естественные радиоактивные элементы содержатся в относительно небольшом количестве во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т.е. той части оболочки Земли (лито-, гидро-и атмосфере), где находятся микроорганизмы, растения, животные и человек.
В течение миллиардов лет шел постоянный процесс радиоактивного распада нестабильных ядер атомов. В результате этого общая радиоактивность вещества Земли, горных пород постепенно снижалась. Относительно короткоживущие изотопы распались полностью. Сохранились главным образом элементы с полураспадом, измеряемым миллиардами лет, а также относительно короткоживущие вторичные продукты радиоактивного распада, образующиеся последовательные цепочки преобразований, так называемые семейства радиоактивных элементов. В земной коре естественные радионуклиды могут быть более или менее равномерно рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений.
Природные (естественные) радионуклиды можно разделить на три группы:
Радионуклиды, принадлежащие радиоактивным семействам (рядам),
Другие (не принадлежащие радиоактивным семействам) радионуклиды, вошедшие в состав земной коры при формировании планеты,
Радионуклиды, образовавшиеся под действием космического излучения.
В процессе формирования Земли в состав ее коры наряду со стабильными нуклидами вошли и радионуклиды. Большая часть этих радионуклидов относится к так называемым радиоактивным семействам (рядам). Каждый ряд представляет собой цепочку последовательных радиоактивных превращений, когда ядро, образующееся при распаде материнского ядра, тоже, в свою очередь, распадается, вновь порождая неустойчивое ядро и т. д. Началом такой цепочки является радионуклид, который не образуется из другого радионуклида, а содержится в земной коре и биосфере с момента их рождения. Этот радионуклид называют родоначальником и его именем называют все семейство (ряд). Всего в природе существует три родоначальника - уран-235, уран-238 и торий-232, и, соответственно, три радиоактивных ряда - два урановых и ториевый. Заканчиваются все ряды стабильными изотопами свинца.
Самый большой период полураспада у тория (14 млрд. лет), поэтому он со времени аккреции Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреции Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса.
Около 0,0003% (по разным данным 0,00025-0,0004%) Массы земной коры - это уран. То есть в одном кубометре самого обычного грунта содержится в среднем 5 граммов урана. Есть места, где это количество в тысячи раз больше - это месторождения урана. В кубометре морской воды содержится около 1,5 мг урана. Этот природный химический элемент представлен двумя изотопами -238U и 235U, каждый из которых является родоначальником своего радиоактивного ряда. Подавляющая часть природного урана (99,3%) - это уран-238. Этот радионуклид весьма устойчив, вероятность его распада (а именно - альфа-распада) очень мала. Эта вероятность характеризуется периодом полураспада, равным 4,5 миллиарда лет. То есть со времен формирования нашей планеты его количество уменьшилось вдвое. Из этого, в свою очередь, следует, что радиационный фон на нашей планете раньше был выше. Цепочки радиоактивных превращений, порождающей природные радионуклиды уранового ряда:
Радиоактивный ряд включает как долгоживущие радионуклиды (то есть радионуклиды с большим периодом полураспада), так и короткоживущие, но в природе существуют все радионуклиды ряда, даже те, которые быстро распадаются. Это связано с тем, что с течением времени установилось равновесие (так называемое «вековое равновесие») - скорость распада каждого радионуклида равна скорости его образования.
Существуют природные радионуклиды, которые вошли состав земной коры в процессе формирования планеты и которые не принадлежат урановым или ториевому рядам. В первую очередь - это калий-40. Содержание 40 К в земной коре около 0,00027% (масс), период полураспада 1,3 миллиарда лет. Дочерний нуклид - каль-ций-40 - является стабильным. Калий-40 в значительном количестве входит в состав растений и живых организмов, вносит существенный вклад в общую дозу внутреннего облучения человека.
Природный калий содержит три изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08 %, 0,012 % и 6,91 %.
Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.
Третью группу природных радионуклидов составляют космогенные радионуклиды. Эти радионуклиды образуются под действием космического излучения из стабильных нуклидов в результате ядерных реакций. К ним относятся тритий, бериллий-7, углерод-14, натрий-22. Например, ядерные реакции образования трития и углерода-14 из азота под действием космических нейтронов:
Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89 %). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-13 (1,11 %).
Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и углерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.
В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 10 9 атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.
Существует некоторая условность относительно точки зрения того, какой фон считать «нормальным». Так, при «среднепланетарной» годовой эффективной дозе на одного человека 2,4 мЗв во многих странах эта величина составляет 7-9 мЗв/год. То есть испокон веков миллионы людей живут в условиях природных дозовых нагрузок, которые в несколько раз выше, чем среднестатистические. Медицинские исследования и демографическая статистика показывают, что это никак не сказывается на их жизни, не оказывают никакого негативного влияния на их здоровье и здоровье их потомства.
Говоря об условности понятия «нормальный» природный фон, можно указать также ряд мест на планете, где уровень природной радиации превышает среднестатистический не только в разы, но и в десятки раз (таблица), этому воздействию подвержены десятки и сотни тысяч жителей. И это тоже норма, это тоже никак не сказывается на их здоровье. Более того, многие районы с повышенным радиационным фоном в течение столетий являются местами массового туризма (морские побережья) и признанными курортами (Кавказские Минеральные Воды, Карловы Вары и др.).
Вблизи Земли продолжает защищать ее магнитное поле - пусть даже ослабленное и без помощи многокилометровой атмосферы. Пролетая в районе полюсов, где поле мало, космонавты сидят в особо защищенном помещении. А для радиационной защиты при полете на Марс пока нет удовлетворительного технического решения.
Решил дополнить исходный ответ по двум причинам:
- в одном месте он содержит неверное утверждение и не содержит верное
- просто для полноты картины (цитаты)
1. В комментариях Сузанна покритиковала ответ - во многом справедливо.
Над магнитными полюсами Земли поле слабеет , как я и утверждал. Да, Сузанна права, что У ПОЛЮСОВ оно особо велико (представьте себе силовые линии: они собираются именно у полюсов). Но на большой высоте НАД ПОЛЮСАМИ оно слабее чем в других местах- по той же самой причине (представьте те же силовые линии: они ушли вниз - к полюсам, а вверху их почти не осталось). Поле как бы проседает.
Но Сузанна права в том, что космонавты МЧС не укрываются в спецпомещении из-за приполярных областей : меня подвела память.
Но все же есть место, над которым спецмеры принимаются (его я и спутал с приполярными областями). Это - над магнитной аномалией в Южной Атлантике . Там магнитное поле настолько "проседает", что радиационный пояс и принимать спецмеры приходится без всяких вспышек на Солнце . Цитату о не связанных с солнечной активностью спецмерах быстро найти не смог, но я о них где-то читал.
Ну и, конечно, стоит упомянуть и сами вспышки : от них тоже укрываются в наиболее защищенном помещении, а не разгуливают в это время по всей станции.
Все солнечные вспышки тщательно отслеживаются и информация о них отправляется в центр управления. В такие периоды космонавты прекращают работу и укрываются в наиболее защищённых отсеках станции. Такими защищёнными сегментами являются отсеки МКС рядом с ёмкостями с водой. Вода задерживает вторичные частицы - нейтроны, и доза радиации поглощается эффективнее.
2. Просто цитаты и допинформация
В некоторых цитатах ниже упоминается доза в Зивертах (Зв). Для ориентировки некоторые цифры и вероятные эффекты из таблицы в
0-0.25 Зв. Нет эффекта, за исключением умеренных изменений в крови
0.25-1 Зв. Радиационные заболевания из 5-10% облучённых людей
7 Зв ~100% летальных исходов
Суточная доза на МКС - около 1 мЗв (см. ниже). Значит, можно без особого риска летать около 200 суток . Важно также, за какой срок набрана одна и та же доза: набранная за короткое время намного опаснее, чем за набранная за длительный срок. Организм - не пассивный объект просто "набирающий" радиационные дефекты: есть у него и "ремонтные" механизмы и с постепенно набираемыми малыми дозами они обычно справляются.
В отсутствие массивного атмосферного слоя, который окружает людей на Земле, космонавты на МКС подвергаются более интенсивному облучению постоянными потоками космических лучей. В день члены экипажа получают дозу радиации в размере около 1 миллизиверта, что примерно равнозначно облучению человека на Земле за год. Это приводит к повышенному риску развития злокачественных опухолей у космонавтов, а также ослаблению иммунной системы.
Как показывают данные, собранные NASA и специалистами из России и Австрии, астронавты на МКС ежедневно получают дозу в 1 миллизиверт. На Земле такую дозу облучения не везде можно получить и за целый год.
Этот уровень, впрочем, ещё относительно терпим. Однако необходимо иметь в виду, что околоземные космические станции находятся под защитой магнитного поля Земли.
За его пределами радиация возрастёт во много раз, следовательно, экспедиции в глубокий космос окажутся невозможными.
Радиация в жилых корпусах и лабораториях МКС и «Мира» возникала вследствие бомбёжки космическими лучами алюминиевой обшивки станции. Быстрые и тяжёлые ионы выбивали из обшивки изрядное количество нейтронов.
В настоящее время на космических кораблях невозможно обеспечить стопроцентную защиту от радиации. Точнее, возможно, но за счёт более чем значительного увеличения массы, а вот это-то как раз и недопустимо
Кроме атмосферы нашей, защитой от радиации является магнитное поле Земли. Первый радиационный пояс Земли находится на высоте порядка 600-700 км. Станция сейчас летает на высоте порядка 400км, что существенно ниже... Защитой от радиации в космосе является (также – ред.) корпус корабля или станции. Чем толще стенки корпуса, тем больше защита. Конечно, стенки не могут быть бесконечно толстыми, потому что существуют весовые ограничения.
Ионизирующий уровень, фоновый уровень радиации на международной космической станции выше, чем на Земле (примерно в 200 раз – ред.), что делает космонавта более подверженным ионизирующему излучению, чем представителей традиционно радиационно-опасных отраслей, таких как атомная энергетика и рентгенодиагностика.
Кроме индивидуальных дозиметров космонавтов на станции есть еще система радиационного контроля. ... По одному датчику расположено в каютах экипажа и по одному датчику в рабочем отсеке малом и большом диаметре. Система работает автономно 24 часа в сутки. ... Таким образом Земля располагает информацией о текущей радиационной обстановке на станции. Система радиационного контроля способна выдавать предупреждающий сигнал «Проверь радиацию!». Если бы это случилось, то на пульте сигнализации систем мы увидели бы загорание транспаранта с сопровождающим звуковым сигналом. За все время существование космической международной станции таких случаев не было.
В... районе Южной Атлантики... радиационные пояса “провисают” над Землей из-за существования глубоко под Землей магнитной аномалии. Космические корабли, летающие над Землей, как бы “чиркают” пояса радиации в течение очень непродолжительного времени... на витках, проходящих район аномалии. На других витках потоки радиации отсутствуют и не создают хлопот участникам космических экспедиций.
Магнитная аномалия в районе Южной Атлантики – не единственная радиационная “напасть” для космонавтов. Солнечные вспышки, генерирующие подчас весьма энергичные частицы... , могут создать большие сложности для полётов космонавтов. Какая доза радиации может быть получена космонавтом в случае прихода солнечных частиц к Земле – во многом воля случая. Эта величина определяется, в основном, двумя факторами: степенью искажения дипольного магнитного поля Земли во время магнитных бурь и параметрами орбиты космического аппарата в течение солнечного события. ... Экипажу может повезти, если орбиты в момент вторжения СКЛ не проходят опасных высокоширотных участков.
Одно из наиболее мощных протонных извержений – радиационная буря солнечных извержений, вызвавшая радиационную бурю вблизи Земли, произошло совсем недавно – 20 января 2005 г. Аналогичное по мощности солнечное извержение было 16 лет назад, в октябре 1989 г. Множество протонов с энергиями, превышающими сотни МэВ, достигли магнитосферы Земли. Кстати, такие протоны способны преодолеть защиту толщиной, эквивалентной примерно 11 сантиметрам воды. Скафандр космонавта – тоньше. Биологи считают, что если в это время космонавты оказались бы вне Международной космической станции, то, безусловно, воздействие радиации сказалось бы на здоровье космонавтов. Но они находились внутри неё. Защита МКС достаточно велика, чтобы обезопасить экипаж от неблагоприятного воздействия радиации во многих случаях. Так было и во время данного события. Как показали измерения с помощью радиационных дозиметров, “схваченная” космонавтами доза радиации не превышала той дозы, которую человек получает при обычном рентгеновском обследовании. Космонавты МКС получили 0.01 Гр или ~ 0.01 Зиверт... Правда, столь малые дозы связаны и с тем, что, как об этом написано ранее, станция находилась на “магнитно-защищённых” витках, что может случаться не всегда.
Нил Армстронг (первый астронавт, вступивший на Луну) сообщил на Землю о своих необычных ощущениях во время полёта: порой он наблюдал яркие вспышки в глазах. Иногда их частота достигала около сотни в день... Учёные... пришли к выводу, что ответственны за это … галактические космические лучи. Именно эти частицы высокой энергии, проникая в глазное яблоко, вызывают черенковское свечение при взаимодействии с веществом, из которого состоит глаз. В результате астронавт и видит яркую вспышку. Наиболее эффективно с веществом взаимодействуют не протоны, которых в составе космических лучей больше всех остальных частиц, а тяжёлые частицы – углерод, кислород, железо. Эти частицы, обладая большой массой, теряют значительно больше своей энергии на единицу пройденного пути, чем их более лёгкие собратья. Именно они и ответственны за генерацию черенковского свечения и возбуждение ретины – чувствительной оболочки глаза.
При дальних космических полётах возрастает роль галактических и солнечных космических лучей как радиационно-опасных факторов. Подсчитано, что при полёте на Марс именно ГКЛ становятся основной радиационной опасностью. Полёт на Марс длится порядка 6 месяцев, и интегральная – суммарная - доза радиации от ГКЛ и СКЛ за этот период в несколько раз выше дозы радиации на МКС за то же время. Поэтому риск радиационных последствий, связанных с выполнением дальних космических миссий значительно возрастает. Так, за год полёта на Марс, поглощённая доза, связанная с ГКЛ, составит 0.2-0.3 Зв (без защиты). Её можно сравнить с дозой от одной из самых мощных вспышек прошлого столетия – августа 1972 г. Во время этого события она была в несколько раз меньше: ~0.05 Зв.
Радиационную опасность, создаваемую ГКЛ, можно оценить и предсказать. Сейчас накоплен богатый материал по временным вариациям ГКЛ, связанным с солнечным циклом. Это позволило создать модель, на основе которой удаётся предсказать поток ГКЛ на любой заданный вперёд период времени.
Гораздо сложнее обстоят дела с СКЛ. Солнечные вспышки возникают случайным образом и даже не очевидно, что мощные солнечные события возникают в годы, обязательно близкие к максимуму активности. По крайней мере, опыт последних лет показывает, что они происходят и во времена затихшего светила.
Протоны солнечных вспышек несут реальную угрозу космическим экипажам дальних миссий. Взяв вновь в качестве примера вспышку августа 1972 г., можно показать, пересчитав потоки солнечных протонов в дозу радиации, что через 10 часов после начала события, она превысила летальное значение для экипажа космического корабля, если бы он оказался вне корабля на Марсе или, скажем, на Луне.
Здесь уместно вспомнить полёты американскго “Apollo” к Луне в конце 60-х – начале 70-х. В 1972 г., в августе, была такая же по мощности вспышка на Солнце, как и в октябре 1989 г. “Apollo-16” приземлился после своего лунного путешествия в апреле 1972 г., а следующий – “Apollo-17” стартовал в декабре. Повезло экипажу “Apollo-16”? Безусловно, да. Расчёты показывают, будь астронавты “Apollo” в августе 1972 г. на Луне, они бы подверглись облучению с дозой радиации в ~4 Зв. Это – очень много, чтобы спастись. Если… если быстро не возвратиться на Землю для экстренного лечения. Другой вариант – перейти в кабину лунного модуля “Apollo”. Здесь доза радиации уменьшилась бы в 10 раз. Для сравнения скажем, что защита МКС в 3 раза толще, чем лунного модуля “Apollo”.
На высотах орбитальных станций (~400 км) дозы радиации превышают величины, наблюдающиеся на поверхности Земли, в ~200 раз! В основном за счёт частиц радиационных поясов.
Известно, что некоторые трассы межконтинентальных самолётов проходят вблизи северной полярной области. Эта область наименее защищена от вторжения энергичных частиц и поэтому во время солнечных вспышек опасность радиационного облучения экипажа и пассажиров возрастает. Солнечные вспышки увеличивают дозы радиации на высотах полётов самолётов в 20-30 раз.
В последнее время экипажи некоторых авиалиний информируются о начале наступления вторжения солнечных частиц. Одно из недавних мощных солнечных извержений, случившеееся в ноябре 2003 г., заставило экипаж “Дельты” рейса Чикаго - Гонг-Конг свернуть с пути: лететь к пункту назначения более низкоширотным маршрутом.
Землю от космического излучения защищают атмосфера и магнитное поле. На орбите радиационный фон в сотни раз больше, чем на поверхности Земли. Каждые сутки космонавт получает дозу облучения 0,3-0,8 миллизиверта - примерно в пять раз больше, чем при рентгене грудной клетки. При работе в открытом космосе воздействие радиации оказывается еще на порядок выше. А в моменты мощных солнечных вспышек можно за один день на станции схватить 50-суточную норму. Не дай бог в такое время работать за бортом - за один выход можно выбрать допустимую за всю карьеру дозу, составляющую 1000 миллизивертов. В обычных условиях ее хватило бы года на четыре - столько еще никто не налетал. Причем ущерб здоровью от такого однократного облучения будет значительно выше, чем от растянутого на годы.
И все же низкие околоземные орбиты еще относительно безопасны. Магнитное поле Земли захватывает заряженные частицы солнечного ветра, образуя радиационные пояса. Они имеют форму широкого бублика, окружающего Землю по экватору на высоте от 1000 до 50 000 километров. Максимальная плотность частиц достигается на высотах около 4000 и 16 000 километров. Сколько-нибудь длительная задержка корабля в радиационных поясах представляет серьезную угрозу жизни экипажа. Пересекая их на пути к Луне, американские астронавты за несколько часов рисковали получить дозу 10-20 миллизивертов - как за месяц работы на орбите.
В межпланетных полетах вопрос радиационной защиты экипажа стоит еще острее. Земля экранирует половину жестких космических лучей, а ее магнитосфера почти полностью задерживает поток солнечного ветра. В открытом космосе без дополнительных мер защиты облучение вырастет на порядок. Иногда обсуждается идея отклонять космические частицы сильными магнитными полями, однако на практике ничего, кроме экранирования, пока не отработано. Частицы космического излучения неплохо поглощаются ракетным топливом, что наводит на мысль использовать полные баки как защиту от опасной радиации.
Магнитное поле на полюсах не мало, а наоборот, большое. Просто направлено оно там практически радиально к Земле, что приводит к тому, что захваченные магнитными полями в радиационных поясах частицы солнечного ветра, при определенных условиях двигаются (высыпаются) в направлении Земли у полюсов, вызывая полярные сияния. Это не представляет опасности космонавтам так как траектория МКС проходит ближе к экваториальной зоне. Опасность представляют сильные солнечные вспышки класса М и Х с коронарными выбросами вещества (в основном протоны), направленные к Земле. Именно в этом случае, космонавты применяют дополнительные меры радиационной защиты.
Ответить
ЦИТАТА: "... Наиболее эффективно с веществом взаимодействуют не протоны, которых в составе космических лучей больше всех остальных частиц, а тяжёлые частицы – углерод, кислород, железо...."
Объясните неучу пожалуйста - откуда в солнечном ветре (космических лучах, как у вас написано) взялись частицы углерода, кислорода, железа и каким образом они могут попасть в вещество, из которого состоит глаз - через скафандр?
Ответить
Ещё 2 комментария
Объясняю... Солнечный свет - это фотоны (включая гамма-кванты и рентгеновское излучение, являющиеся проникающей радиацией).
Есть еще солнечный ветер. Частицы . Например, электроны, ионы, ядра атомов, летящие от Солнца и из Солнца. Сколь-нибудь тяжелых ядер (тяжелее гелия) там мало, ибо их мало в самом Солнце. Но альфа-частиц (ядер гелия) - много. И, в принципе, может прилететь любое ядро, легче железного (вопрос лишь в количестве прилетающего). Дальше железа синтез на Солнце (тем более вне его) не идет. Поэтому от Солнца может прилететь только железо и что-то полегче (тот же углерод, например).
Космические лучи в узком смысле - это особо высокоскоростные заряженные частицы (и не заряженные, впрочем, тоже), прилетевшие из-за пределов Солнечной системы (в основном). А также - проникающая радиация оттуда же (иногда ее рассматривпют отдельно, не причисляя к "лучам").
Среди прочих частиц космические лучи содержат и ядра каких угодно атомов (в разном количестве, конечно). Сколь-нибудь тяжелые ядра, попав в вещество, ионизируют все на своем пути (а также - в стороне: там вторичная ионизация - уже тем, что вышиблено по дороге). А если у них высокая скорость (и кинетическая энергия), то заниматься этим делом (полетом через вещество и его ионизацей) ядра будут долго и остановятся не скоро. Соответственно, пролетят через что угодно и с пути не свернут - пока не потратят почти всю кинетическую энергию. Даже наткнувшись прямо на другое ядро (а это бывает редко) могут просто отшвырнуть его в сторону, почти не изменив направление своего движения. Или не в сторону, а полетят дальше более-менее в одном направлении.
Представьте автомобиль, который на полном ходу врезался в другой. Разве он остановится? А еще представьте, что скорость у него - многие тысячи километров в час (еще лучше - в секунду!), а прочность позволяет выдержать любой удар. Вот это и есть ядро из космоса.
Космические лучи в широком смысле - это космические лучи в узком, плюс солнечный ветер и проникаюшая радиация от Солнца. (Ну, или без проникающей радиации, если ее рассматривают отдельно).
Со́лнечный ве́тер - поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.
Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе такие явления космической погоды, как магнитные бури и полярные сияния.
Не следует путать понятия «солнечный ветер» (поток ионизированных частиц, долетающий от Солнца до Земли за 2-3 суток) и «солнечный свет» (поток фотонов, долетающий от Солнца до Земли в среднем за 8 минут 17 секунд).
Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.
Хотя солнечный ветер исходит из внешнего слоя Солнца, он не отражает состава элементов в этом слое, так как в результате процессов дифференциации содержание некоторых элементов увеличивается, а некоторых - уменьшается (FIP-эффект).
Косми́ческие лучи́ - элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве[
Классификация по происхождению космических лучей:
- вне нашей Галактики
- в Галактике
- на Солнце
- в межпланетном пространстве
Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.
Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.
Энергетический спектр космических лучей на 43 % состоит из энергии протонов, ещё на 23 % - из энергии гелия (альфа-частиц) и 34 % энергии, переносимой остальными частицами.
По количеству частиц космические лучи на 92 % состоят из протонов, на 6 % - из ядер гелия, около 1 % составляют более тяжелые элементы, и около 1 % приходится на электроны.
Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы... соответственно, протоны, альфа-частицы, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые... Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжелые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра.
Ответить
Прокомментировать
Космическая радиация представляет большую проблему для конструкторов космических аппаратов. Они стремятся защитить от нее космонавтов, которым предстоит находиться на поверхности Луны или отправиться в длительные путешествия в глубины Вселенной. Если необходимая защита не будет обеспечена, то эти частицы, летящие с огромной скоростью, проникнут в тело космонавта, повредят его ДНК, что может повысить риск раковых заболеваний. К сожалению, до сих пор все известные способы защиты либо неэффективны, либо неосуществимы.
Материалы, традиционно применяемые для строительства космических аппаратов, например алюминий, задерживают некоторые космические частицы, но для многолетних полетов в космосе нужна более крепкая защита.
Аэрокосмическое агентство США (NASA) охотно берётся за самые сумасбродные, на первый взгляд, идеи. Ведь никто наверняка не может предсказать - какая из них однажды обернётся серьёзным прорывом в космических исследованиях. В агентстве работает специальный институт перспективных концепций (NASA Institute for Advanced Concepts - NIAC), призванный аккумулировать именно такие разработки - на очень дальнюю перспективу. Через этот институт NASA распределяет гранты в различные университеты и институты - на разработку "гениальных безумств".
Сейчас изучаются следующие варианты:
Защита определенными материалами.
Некоторые материалы, например вода или полипропилен, обладают хорошими защитными свойствами. Но для того, чтобы защитить ими космический корабль, их понадобится очень много, вес корабля станет недопустимо велик.
В настоящее время, сотрудники NASA разработали новый сверхпрочный материал, родственный полиэтилену, который собираются использовать при сборке космических кораблей будущего. "Космическая пластмасса" сможет защитить астронавтов от космической радиации лучше, чем металлические экраны, но намного легче известных металлов. Специалисты убеждены, что когда материалу придадут достаточную термостойкость, из него можно будет делать даже обшивку космических аппаратов.
Раньше считалось, что только цельнометаллическая оболочка позволит пилотируемому кораблю пройти сквозь радиационные пояса Земли - потоки заряженных частиц, удерживаемые магнитным полем вблизи планеты. Во время полетов к МКС с этим не сталкивались, поскольку орбита станции проходит заметно ниже опасного участка. Кроме того, астронавтам угрожают вспышки на Солнце - источник гамма- и рентгеновских лучей, а детали самого корабля способны ко вторичному излучению - из-за распада радиоизотопов, образовавшихся при "первой встрече" с радиацией.
Теперь ученые полагают, что новый пластик RXF1 лучше справляется с перечисленными проблемами, причем небольшая плотность - не последний аргумент в его пользу: грузоподъемность ракет все еще недостаточно велика. Известны результаты лабораторных тестов, в которых его сравнивали с алюминием: RXF1 выдерживает втрое большие нагрузки при втрое меньшей плотности и улавливает больше высокоэнергетических частиц. Полимер пока не запатентован, поэтому о способе его изготовления не сообщается. Об этом сообщает Lenta.ru со ссылкой на science.nasa.gov.
Надувные конструкции.
Надувной модуль, изготовленный из особо прочного пластика RXF1, окажется не только компактнее при запуске, но и легче цельной стальной конструкции. Конечно, его разработчикам потребуется предусмотреть и достаточно надежную защиту от микрометеоритов вкупе с «космическим мусором», но ничего принципиально невозможного в этом нет.
Кое-что уже есть - это частный надувной беспилотный корабль Genesis II
уже находится на орбите. Запущен в 2007 году российской ракетой "Днепр". Причем масса у него довольно внушительная для устройства, созданного частной компанией, – свыше 1300 кг.
CSS (Commercial Space Station) Skywalker - коммерческий проект надувной орбитальной станции. На поддержку проекта NASA выделяет деньги около 4 млрд. долларов на 20110-2013 гг.. Речь идёт о разработке новых технологий надувных модулей для освоения космоса и небесных тел Солнечной системы.
Сколько будет стоить надувная конструкция, не сообщается. Зато уже озвучены суммарные затраты на разработку новых технологий. В 2011 году на эти цели выделят $652 млн, в 2012-м (если бюджет снова не пересмотрят) – $1262 млн, в 2013-м – $1808 млн. Затраты на исследования планируется неуклонно повышать, но, с учетом печального опыта выбившегося из сроков и смет «Созвездия»
, без фокусировки на одной масштабной программе.
Надувные модули, автоматические устройства для стыковки аппаратов, системы хранения топлива на орбите, автономные модули жизнеобеспечения и комплексы, обеспечивающие посадку на другие небесные тела. Это лишь малая часть тех задач, которые ставятся теперь перед NASA для решения задачи высадки человека на Луну.
Магнитная и электростатическая защита. Для отражения летящих частиц можно применять мощные магниты, но магниты очень тяжелы, и пока неизвестно, насколько опасным для космонавтов окажется магнитное поле, достаточно мощное, чтобы отражать космическую радиацию.
Космический корабль или станция на поверхности Луны с магнитной защитой. Тороидальный сверхпроводящий магнит с напряжённостью поля не позволит большей части космических лучей проникнуть в кабину пилотов, расположенную внутри магнита, и, тем самым, снизит суммарные дозы радиации от космического излучения в десятки и более раз.
Перспективные проекты NASA - электростатический радиационный щит для лунной базы и лунный телескоп с жидким зеркалом (иллюстрации с сайта spaceflightnow.com).
Биомедицинские решения. Тело человека способно исправлять нарушения в ДНК, вызванные незначительными дозами радиации. Если усилить эту способность, космонавты смогут переносить длительное облучение космической радиацией. Подробнее
Защита из жидкого водорода. НАСА рассматривает возможность использовать в качестве защиты от космической радиации топливные баки космических аппаратов, содержащие жидкий водород, которые можно расположить вокруг отсека с экипажем. В основе этой идеи лежит тот факт, что космическое излучение теряет энергию, сталкиваясь с протонами других атомов. Поскольку атом водорода имеет только один протон в ядре, протон каждого его ядра "тормозит" радиацию. В элементах с более тяжелыми ядрами одни протоны загораживают другие, поэтому космические лучи их не достигают. Защиту водородом обеспечить можно, но недостаточную для того, чтобы предотвратить риски онкологических заболеваний.
Биоскафандр.
Данный проект биоскафандра (Bio-Suit), разрабатываемый группой профессоров и студентов Массачусетского технологического института (MIT). "Био" - в данном случае означает не биотехнологии, а лёгкость, необыкновенное для скафандров удобство и где-то даже неощутимость оболочки, являющейся как бы продолжением тела.
Вместо того, чтобы сшивать и склеивать скафандр из отдельных кусочков различных тканей, его будут напылять прямо на кожу человека в виде быстро затвердевающего спрея. Правда, шлем, перчатки и ботинки останутся всё же традиционными.
Технология такого напыления (в качестве материала используется специальный полимер) уже обкатывается американскими военными. Этот процесс называется Electrospinlacing, его прорабатывают специалисты исследовательского центра армии США - Soldier systems center, Natick.
Упрощённо можно сказать, что мельчайшие капельки или короткие волоконца полимера приобретают электрический заряд и под действием электростатического поля устремляются к своей цели - объекту, который нужно закрыть плёнкой - где они образуют слитную поверхность. Учёные из MIT намерены создать нечто подобное, но способное создавать влаго- и воздухонепроницаемую плёнку на теле живого человека. После затвердевания плёнка приобретает высокую прочность, сохраняя упругость, достаточную для движения рук и ног.
Нужно добавить, что проект предусматривает вариант, когда подобным образом на тело будут напылены несколько различных слоёв, чередующихся с разнообразной встроенной электроникой.
Линия развития скафандров в представлении учёных MIT (иллюстрация с сайта mvl.mit.edu).
А ещё изобретатели биоскафандра говорят о перспективном самозатягивании полимерных плёнок при небольших повреждениях.
Когда такое станет возможным, не берётся предсказать даже сама госпожа профессор Дава Ньюман. Может, через десять лет, может - через пятьдесят.
Но ведь если не начать идти к этому результату сейчас - "фантастическое будущее" не наступит.
Даже если бы межпланетные полеты были реальностью, ученые все чаще говорят о том, что человеческий организм с чисто биологической точки зрения поджидают все больше опасностей. Одной из главных опасностей специалисты называют жесткое космическое радиационное излучение. На других планетах, например на том же Марсе, это излучение будет таким, что оно в разы ускорит наступление болезни Альцгеймера.
"Космическое излучение представляет собой очень значительную угрозу для будущих космонавтов. Возможность того, что космическое радиационное облучение может привести к возникновению проблем со здоровьем, таких как рак, уже давно признана", - говорит Керри О"Банион, доктор неврологии из Медицинского центра при Университете Рочестера. "Наши опыты также достоверно установили, что жесткое излучение также провоцирует ускорение изменений в головном мозге, связанных с болезнью Альцгеймера".
По словам ученых, все космическое пространство буквально пронизано радиационным излучением, тогда как толстая земная атмосфера защищает нашу планету от него. Влияние радиации на себе могут ощутить уже и участники кратковременных полетов на МКС, хотя формально они находятся на низкой орбите, где защитный купол земной гравитации еще работает. Особенно активно радиационное излучение работает в те моменты, когда на Солнце происходят вспышки с последующими выбросами радиационных частиц.
Ученые говорят, что уже сейчас в НАСА вплотную работает над различными подходами, связанными с защитой человека от космической радиации. Впервые космическое ведомство начало финансирование "радиационных исследований" еще 25 лет назад. Сейчас значительная часть инициатив в этой области связана с исследованиями на предмет того, как уберечь будущих марсонавтов от жесткой радиации на Красной планете, где нет такого же атмосферного купола, как на Земле.
Уже сейчас специалисты говорят с очень большой вероятностью о том, что марсианская радиация провоцирует онкологические заболевания. Еще большие объемы излучения есть вблизи астероидов. Напомним, что миссию на астероид с участием человека НАСА планирует на 2021 год, а на Марс - не позже 2035 года. Полет на Марс и обратно с некоторым пребыванием там может занять около трех лет.
Как рассказали в НАСА, сейчас доказано, что космическая радиация провоцирует, помимо рака, также заболевания сердечно-сосудистой системы, костно-мышечной и эндокринной. Сейчас же специалисты из Рочестера выявили и еще один вектор опасности: в рамках исследований было установлено, что высокие дозы космической радиации провоцируют заболевания связанные с нейродегенерацией, в частности активируют процессы, которые способствуют развитию болезни Альцгеймера. Также специалисты изучили то, как космическая радиация влияет на центральную нервную систему человека.
Специалисты на основании опытов установили, что радиоактивные частицы в космосе имеют в своей структуре ядра атомов железа, которые имеют феноменальную проникающую способность. Именно поэтому защититься от них удивительно трудно.
На Земле исследователи проводили симуляцию космической радиации в американской Брукхевенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, где находится специальный ускоритель элементарных частиц. В процессе экспериментов исследователи определили, сроки, в течение которых болезнь возникает и прогрессирует. Впрочем, пока исследователи проводили эксперименты на лабораторных мышах, подвергая их дозам радиации, сопоставимых с теми, что получили бы люди во время полета на Марс. После опытов практически все мыши получили нарушения в работе когнитивной системы головного мозга. Также были отмечены нарушения в работе сердечно-сосудистой системы. В головном мозге выявлены очаги накопления бета-амилоида - белка, который является верным признаком надвигающейся болезни Альцгеймера.
Ученые говорят, что они пока не знают, как побороть космическую радиацию, но они уверены, что радиация - это тот фактор, который заслуживает самого серьезного внимания при планировании будущих космических полетов.
Комикс про то, как ученые в борьбе с космической радиацией освоят Марс.
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.
. " alt="Мы сделаем так, чтобы радиация не препятствовала человечеству в покорении космоса и колонизации Марса. Благодаря ученым долетим до Красной планеты и будем устраивать там диско и жарить барбекю. " src="/sites/default/files/images_custom/2018/03/mars7.png">
Мы сделаем так, чтобы радиация не препятствовала человечеству в покорении космоса и колонизации Марса. Благодаря ученым долетим до Красной планеты и будем устраивать там диско и жарить барбекю.
Космос против человека
«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.
Человек беззащитен перед опасностями космоса: солнечное облучение, галактические космические лучи, магнитные поля, радиоактивная среда Марса, радиационный пояс Земли, микрогравитация (невесомость).
Человечество со всей серьезностью 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 основных 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. Ученые предлагают объединить усилия и, используя последние достижения биотехнологий, повысить радиорезистентность человека, чтобы он мог покорять просторы глубокого космоса и колонизировать другие планеты.
Человеческая оборона
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 тяжелых 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.
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.
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 столкнутся 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, связанным 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 попробовали снизить чувствительность к радиации с помощью таких трансгенов. Однако от прямого воздействия облучения этот способ не спасет, 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 ждет 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 превышающая смертельную 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.
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.
Гипернация в гибернации
Вскоре после запуска первых космических полетов ведущий конструктор советской космической программы Сергей Королев 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: понижению температуры, смертельным дозам облучения, перегрузкам и так далее. В СССР проект Марса был закрыт после смерти Сергея Королева. А в настоящее время Европейское космическое агентство работает над проектом «Аврора» по полетам на Марс и Луну, в котором рассматривается вариант спячки космонавтов. ЕКА считает, что при длительном автоматизированном полете 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.
Тяжелая артиллерия
Все органические соединения содержат углерод-водородные связи (С-Н). Однако можно синтезировать соединения, которые содержат вместо водорода дейтерий – более тяжелый 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 тяжелый аналог. 13 C тяжелее 12 C 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 13 C 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».
Дизайнер Елена Хавина, пресс-служба МФТИ