Что мешает полётам на Марс? Как преодолеть эффекты космической радиации? О влиянии ионизирующего излучения на человека рассказал Юрий Северюхин, начальник сектора радиационной физиологии Лаборатории радиационной биологии Объединённого института ядерных исследований, доцент кафедры биофизики Государственного университета «Дубна». Юрий Сергеевич стал гостем фестиваля «Лабораторный пилот», который прошёл 7 февраля в Институте физики СГУ. Публикуем отрывки выступления.
Что такое радиация?
Ионизирующее излучение или радиация - довольно узкая область среди всего спектра излучений. Это излучения, которые приводят к процессу ионизации, процессу превращения нейтрального атома в заряженную частицу.
Где люди сталкиваются с радиацией?
Атомные электростанции и их отходы, использование ядерного оружия, освоение Космоса, медицина, а также стерилизация продуктов питания и медицинских изделий. Отдельная сфера – ядерная медицина – одна из самых быстро развивающихся областей.
Какие последствия воздействия ионизирующего излучения?
Последствия удобно рассматривать в зависимости от уровня организации всего живого – на молекулярном, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.
На первом уровне, важно знать, что радиация приводит к образованию разрывов и повреждений в молекуле ДНК. Это происходит по двум причинам. Первая – прямое попадание частицы в ДНК. Вторая – процесс радиолиза воды или косвенное действие радиации, в результате которого образуются так называемые “свободные радикалы”, которые тоже вызывают повреждения.
Но могут ли ученые увидеть эффекты облучения под микроскопом? Да, после воздействия радиации в ядрах клеток наблюдаются так называемые хромосомные аберрации (или перестройки, “поломки”): хромосомы начинают образовывать кольца, фрагменты, обмениваются своими частями.
Ткани нашего организма по-разному радиочувствительны. Самые радиочувствительные – стволовые клетки, из которых образуются все другие клетки организма. Они и погибают при облучении в первую очередь. Более зрелые клетки, чётко определившие свою функцию и которые не делятся так интенсивно, например, клетки костей или мышц, в меньшей степени подвержены действию радиации.
После облучения всего тела большими дозами, у человека развивается лучевая болезнь. Такое было у ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС и, к примеру, у пострадавших при бомбардировках Хиросимы и Нагасаки. При лучевой болезни поражается костный мозг, кишечник, кожа. Возникает иммунодефицит и тяжелейшие последствия работы органов.
Облучение может приводить к мутациям и нестабильности генома человека, животных, растений. У цветков изменяется форма и цвет, а у людей могут происходить нарушения при эмбриональном развитии. И мы видим, что это может приводить к серьёзным патологиям.
Возникает основной вопрос: как организм не погибает, если радиация присутствует в нашей жизни повсеместно? Дело в том, что у природы есть механизм, который называется репарация, он необходим, чтобы находить и восстанавливать повреждения ДНК. Это помогает нашим клеткам сохранять жизнеспособность даже в условиях превышения радиационной нагрузки.
Какие существуют источники радиации в Космосе?
Их выделяют три вида: радиационные пояса Земли, солнечное космическое излучение, галактическое космическое излучение. По оценкам специалистов, на Международной космической станции космонавт получает дозу в 250 раз больше, чем мы с вами на поверхности Земли. Если он полетит на Марс, доза может увеличиться в 750 раз по сравнению с земной.
Но самое важное не сама дозовая нагрузка, а особенность действия космической радиации. Радиация в Космосе – это заряженные частицы, протоны, ядра гелия, электроны, галактическое космическое излучение – так называемые тяжёлые заряженные частицы.
Представим с вами, что мы отправились в космическую экспедицию на Марс. Доза излучения при полёте может быть очень большой при воздействии прямых солнечных вспышек. Мы их предсказать не можем. Но есть и другой коварный враг – заряженные частицы из глубин Галактики.
Тяжёлые ядра кремния, титана, углерода, железа проходят через обшивку космического корабля и начинают воздействовать на организм и мозг космонавта, приводить к отказу электроники и микросхем.
В чём опасность воздействия радиации на космонавтов?
Канцерогенез (процесс накопления мутаций и образования раковых клеток) –известный отдалённый эффект, к которому может приводить облучение. Или так называемый катарактогенез, помутнение хрусталика глаза. Это на данный момент один из клинически доказанных эффектов при космических полётах на дальних орбитах. Эффект обусловлен тем, что частицы радиации проходят через хрусталик и вызывают повреждение, которое потом преобразуется в катаракту. При длительном воздействии космической радиации космонавт может сталкиваться и с другими проблемами: изменение микробиоты, иммунного статуса, поражение клеток сосудов, нарушение работы головного мозга.
В этом списке самое важное значение имеет риск поражения головного мозга и нарушение его работы. Почему? Космонавт – это оператор, у него огромное количество сложных задач, насыщенный распорядок дня, который ему нужно выполнять, и много других важных навыков и функций. От правильной работы мозга зависит весь успех и сама возможность космического полёта, проведения исследований, решения поступающих задач. Многие исследования в наземных условиях на ускорителях заряженных частиц (например, в подмосковной Дубне) говорят о том, что воздействие космических частиц на мозг приводит к нарушениям памяти, адаптации, исследовательского поведения, каких-то когнитивных функций.
Как решить проблему воздействия радиации на космонавтов?
Самое логичное – сократить время экспедиции, ведь чем меньше человек находится в космосе, тем меньше будет доза радиации. Следующий шаг – разработка материалов и способов экранирования космического корабля. Сейчас обсуждается концепция создания магнитного поля вокруг модулей, которое сможет “захватывать” космические частицы.
Что можно сделать ещё? Можно отобрать среди людей наиболее радиорезистентных, то есть менее чувствительных к действию радиации. Некоторые исследования, например, указывают на наличие половых различий в радиочувствительности. И, быть может, будущее космических полётов за женским экипажем?
Учёные могут разрабатывать специальные лекарства – радиопротекторы. У них не должно быть выраженного побочного действия и они должны быть эффективны с учётом специфики космической радиации.
Возможно, будущее за гибернацией, регенеративной медициной или генной инженерией. А возможно, решить проблему защиты экипажей кораблей от космической радиации поможет всё и сразу.
Как исследования радиационной безопасности космических полётов неожиданно стали фундаментом для прорывных методов лечения злокачественных опухолей?
Исследования, направленные на оценку рисков и защиту космических экипажей, сегодня спасают жизни пациентов онкологических клиник. Учёные выяснили, что в отличие от рентгена, заряженные частицы почти не повреждают ткани на пути к мишени, отдавая большую часть энергии прямо в злокачественной опухоли. Это, явление – пик Брэгга – стало основой протонной и углеродной терапии, которая сегодня работает в сотне центров по всему миру. А профессия медицинского физика и специалиста в области радиационной биологии становится чрезвычайно актуальной.
Подготовила Александра Луценко, фото Арслана Эрендженова