Основные источники излучения в космосе
Международная группа учёных из 20 организаций со всего мира при участии специалистов Московского физико-технического института (МФТИ) составила список мероприятий для повышения радиорезистентности человеческого организма. Устойчивость к ионизирующему излучению — необходимое условие для успешной космической колонизации, считают учёные.
Радиорезистентность — невосприимчивость клеток, тканей, органов или организмов к воздействию ионизирующего излучения. Известно, что многие живые организмы на Земле обладают поразительной радиорезистентностью. Например, бактерии Deinococcus radiodurans и тихоходки способны выдержать высочайшую дозу ионизирующего излучения около 5000 грей (5 млн рад), то есть 5 килоджоулей на килограмм массы, при этом дозы более 1000 грей делают тихоходок бесплодными. В то же время для человека летальной дозой считается всего 4−10 грей. Рекорд среди живых организмов принадлежит архее-экстремофилу Thermococcus gammatolerans, которую гарантированно можно убить только излучением более 30 000 грей.
Космическое излучение и микрогравитация — два основных фактора, влияющих на здоровье человека при нахождении в космосе за пределами защитного магнитного поля Земли. Эти факторы существенно ограничивают перспективы длительных космических полётов. При этом нужно признать, что необходимость защиты человеческого организма от пагубного воздействия космической радиации в значительной степени игнорируется. Например, Илон Маск запланировал начало марсианской колонизации на 2024 год, но так и не представил всеобъемлющей схемы защиты от излучения.
А ведь для полётов в дальний космос, включая полёт на Марс, радиационное облучение представляет собой одну из нескольких категорий неприемлемого риска, поскольку совокупные дозы, полученные астронавтами, наверняка значительно превысят пределы доз, установленных в рамках нынешней системы радиационной защиты NASA. В соответствии с парадигмой NASA, для путешествия на Марс устанавливается максимальное ограничение на риск смерти из-за воздействия радиации в пределах 3%. То есть из шести астронавтов с вероятностью 83% должны выжить пять (0,97^6), а из двенадцати с вероятностью 69% выживут одиннадцать (0,97^12). Это вполне приемлемый результат. Среди всех фатальных случаев, в основном, смерть наступит от злокачественных опухолей (рака), считают аналитики.
Чтобы добиться смертности в пределах нормы (3%) или ниже, необходимо внедрение дополнительных систем защиты, в том числе новых биотехнологических концепций, которые позволят решить эту проблему и дать возможность начать эпоху пилотируемых полётов в дальний космос.
Основными компонентами космического излучения являются солнечные протонные события (СПС) и галактическое космическое излучение (ГКИ). Очевидно, вклад СПС в общую дозу облучения астронавтов будет незначительным при длительных миссиях вдали от Земли и Солнца. Следовательно, основным типом излучения в воздействии на организм является ГКИ, состоящее в основном из высокоэнергетических частиц.
В принципе, ионизирующее излучение взаимодействует вдоль треков заряженных частиц с биологическими молекулами, такими как ДНК. Процесс в значительной степени стохастичен и может повредить ДНК через прямые взаимодействия (например, ионизацию и возбуждение) или через косвенные взаимодействия, такие как производство активных форм кислорода в результате радиолиза молекул воды.
По существующим оценкам, путешествие на Марс и обратно подвергнет астронавтов радиационным дозам 660 мЗв. Хотя существуют большие неопределённости в отношении оценок риска для здоровья (рака) от воздействия космического излучения, но одна лишь эта доза составляет более половины от общего предельного лимита облучения за всю карьеру астронавта НАСА, который установлен в 800-1200 мЗв. Очевидно, что в соответствии с действующими сейчас принципами радиопротекции более длительные миссии станут неприемлемы для людей с точки зрения риска возникновения рака.
В настоящее время Европейское космическое агентство (ESA) проводит интенсивные исследования возможности дальних космических полётов. Учитывая, что полет будет происходить в основном под управлением автоматических систем, где участие астронавтов практически не требуется, космический экипаж будет буквально в заключении в течение многих месяцев без какой-либо работы. Такие ситуации могут быть опасными, особенно для самих астронавтов. Поэтому ESA считает, что разумнее погрузить людей в анабиоз (гибернацию, то есть спячку). В настоящее время ESA приступило к реализации проекта Aurora, где рассматривает вариант гибернации экипажа. Учёные намерены задействовать биологические механизмы, которые позволят экипажу спать и тем самым снизить метаболизм организма до абсолютного минимума.
Стоит подчеркнуть, что идея возможной гибернации во время длительных космических полетов также была исследована в СССР в 1969 году, но, к сожалению, после смерти руководителя советской космической программы Сергея Королёва проект пилотируемой советской миссии на Марс был закрыт, а все работы, связанные с его реализацией, прекращены. Результаты этих исследований включали данные о гиперрезистентности к различным повреждающим факторам, включая летальные дозы ионизирующего излучения, долгосрочные смертельные перегрузки и гипобарическую гипоксию у мышей (см. книгу «Гипобиоз и криобиоз: прошлое, настоящее и будущее» Николая Николаевича Тимофеева, доктора медицинских наук, специалиста в области авиационной и космической медицины, руководителя лаборатории наноцитофизиологии Института нанотехнологий Международного фонда конверсии).
Есть теория, что радиорезистентность можно натренировать, предварительно облучая организм небольшими дозами ионизирующего излучения. Точно установлено, что радиорезистентность может задаваться генетически и передаваться по наследству по крайней мере у некоторых организмов. Существуют и медицинские препараты с радиопротекторными свойствами:
- препарат en:Ex-Rad (ON 01210.Na), представляющий собой натриевуб соль 4-карбоксистирил-4-хлоробензилсульфона;
- en:CBLB502;
- амифостин (en:amifostine) 'WR2721';
- филграстим (en:Filgrastim) ('Neupogen');
- пегфилграстим (en:Pegfilgrastim) ('Neulasta');
- койевая кислота.
В опубликованной работе перечислены возможные способы снизить риск для здоровья астронавтов от ионизирующего излучения. Учёные предлагают несколько подходов: медицинский отбор радиорезистентных устойчивых к радиации кандидатов (и их потомков, которым передаются гены), технологии регенерации ткани и клеточная терапия, генная инженерия, генная терапия, экспериментальная эволюция, гибернация, биобанкинг и т.д.
Способы снижения рисков для здоровья от космического излучения во время космических путешествий
Экранов пока нет
Благодаря очень высоким энергиям заряженных частиц ГКИ они легко проникают в пассивные защитные материалы. Несмотря на то, что в настоящее время также изучаются активные технологии экранирования, до сих пор не достигнуто существенного прогресса в значительном снижении потоков ГКИ до уровней, пригодных для длительных космических полётов человека (см. анализ с оценкой эффективности всех возможных вариантов активной защиты).
В связи с этим важно изучить различные перспективы повышения радиорезистентности человека с использованием последних достижений в области биотехнологии. Итак, какие же способы повышения радиорезистентности предлагают учёные.
Способы повышения радиорезистентности у человека
- Проведение генетических изменений, использующих прорывные технологии в редактировании генов в сочетании с современными знаниями о молекулярных путях противодействия радиационно-индуцированных повреждений ДНК.
- Регенеративная медицина.
- Низкодозированная радиоадаптация.
- Использование дейтерированных органических соединений.
- Биостаз (значительное замедление всех жизненно важных процессов в организме).
Возможно сочетание всех этих способов.
Кроме того, большое внимание в этой научной работе уделяется радиозащите. Некоторые из идей потенциально могут быть использованы для облегчения других пагубных последствий длительных космических путешествий, таких как ухудшение мышц и костей, считают авторы. Описанные биотехнологии типа генной инженерии, регенеративной медицины, биостаза и криогенного сна в будущем могут найти применение не только в космонавтике, но и в земной медицине, в том числе для продления жизни человека.
«В настоящей работе исследуются обозримые варианты, с помощью которых можно повысить биомедицинскую устойчивость человека для исследования и колонизации космоса. Она также направлена на выявление связи между старением, долголетием и радиорезистентностью, а также изучаются способы, которыми исследования по повышению радиорезистентности человека могли бы синергетически улучшить здоровье людей. В конечном счёте мы изучаем, как работа в хорошо финансируемой сфере аэрокосмических исследований способна подтолкнуть прогресс в биомедицинской геронтологии, которая страдает от сильного недофинансирования, несмотря на серьёзные экономические трудности, вызванные демографическим старением населения», — говорит Франко Кортезе (Franco Cortese), ведущий автор научной работы, заместитель директора Исследовательского фонда биогеронологии (Biogerontology Research Foundation).
«Эта дорожная карта закладывает основу для повышения биологии человека за пределами наших естественных природных ограничений, чтобы обеспечить не только долгую продолжительность жизни и устойчивость к болезням, но и безопасность во время будущих космических исследований», — сказал Жоау Педро де Магальяэс (João Pedro de Magalhães), соавтор статьи, попечитель Исследовательского фонда биогеронологии.
Рано или поздно нам придется сделать это — покинуть Землю и отправиться в глубокий космос, считает Дмитрий Клоков, заведующий секцией радиобиологии и здравоохранения Канадских ядерных лабораторий, один из авторов научной работы. Такое путешествие за пределами земной магнитосферы нанесёт большой вред здоровью астронавтов из-за воздействия космического излучения. Поэтому лучше заранее начать думать о том, как мы справимся с этой задачей.
Научная статья опубликована 6 марта 2018 года в журнале Oncotarget (doi: 10.18632/oncotarget.24461).
