Un equipo de investigadores del Centro Médico de la Universidad de Rochester (URMC) en Nueva York ha anunciado los resultados de su investigación. Los astronautas a largo plazo en el espacio, por ejemplo, durante un vuelo a Marte, pueden provocar problemas de salud debido a la radiación galáctica. En particular, a la degeneración del cerebro y posiblemente incluso a la aparición de la enfermedad de Alzheimer.
Anteriormente, en 2012, científicos rusos informaron conclusiones similares. Como escribe Natalia Teryaeva en el periódico Ploschad Mira, “si vuelas en una expedición marciana en una nave espacial moderna, el vuelo durará al menos 500 días. Durante este período de la misión espacial, la salud de los astronautas puede perderse irremediablemente.
Prueba de ello son los resultados de estudios realizados por radiobiólogos y fisiólogos rusos, que se debatieron en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en una reunión de visita de la Oficina del Departamento de Fisiología y Medicina Fundamental de la Academia de Ciencias de Rusia.
Los científicos ven el mayor peligro en la radiación galáctica: puede privar a una persona de la vista y la razón, sin las cuales no será posible alcanzar el objetivo o regresar a casa.
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Las declaraciones de los investigadores sobre el peligro de los iones pesados para el organismo de los astronautas no son especulativas, se basan en datos de experimentos con aceleradores con animales llevados a cabo en el Laboratorio de Biología Radiológica del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (LRB JINR) en cooperación con el Instituto de Problemas Biomédicos de la Academia de Ciencias de Rusia (IMPB RAS), el Instituto de Bioquímica. RAS (IBCh RAS) y en colaboración con biólogos de la Agencia Espacial Nacional Estadounidense (NASA).
Los iones pesados dan más miedo que los protones
En el espacio profundo, más allá del campo magnético de la Tierra, la peligrosa radiación cósmica que emana de las profundidades de la galaxia acecha al hombre.
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"Los rayos cósmicos galácticos son corrientes de partículas elementales: iones ligeros y pesados", explica Mikhail Panasyuk, director del Instituto de Investigación de Física Nuclear de Skobeltsyn (SINP MSU). - Los átomos de los rayos cósmicos están desprovistos de capas de electrones, de hecho, son núcleos "desnudos". La razón de esto es la interacción con la materia en el proceso de su transferencia en el Universo. El elemento más común de los rayos cósmicos es el hidrógeno y sus iones son protones. Estas partículas son aceleradas por ondas de choque, los restos de explosiones de supernovas. Estas estrellas explotan en nuestra galaxia no más de una vez cada 30 a 50 años.
El flujo de partículas de los rayos cósmicos galácticos es constante, a diferencia de los rayos cósmicos solares, que se generan en el Sol o en el medio interplanetario durante las erupciones solares. Debido a esto, la contribución total de los rayos cósmicos solares durante mucho tiempo es insignificante. Pero durante las erupciones solares (durante varias horas, días), el flujo de los rayos cósmicos solares puede exceder el flujo de los rayos cósmicos galácticos. Además, las energías de las partículas de los rayos cósmicos solares, por regla general, son menores que las de las partículas de los rayos cósmicos galácticos. También hay rayos cósmicos extragalácticos que ingresan a nuestra galaxia desde otras galaxias. Su energía es mayor que la de los rayos cósmicos galácticos, pero los flujos son mucho menores. Los rayos cósmicos tienen un rango de energía enorme: de 106 (1 MeV) a 1021 eV (1 ZeV).
Los espectrómetros de masa de energía instalados en satélites de investigación espacial registraron la composición de los rayos cósmicos. Resultó que un poco menos del uno por ciento de todas las partículas de radiación galáctica son iones pesados con una energía de 300 a 500 MeV / nucleón, los núcleos de elementos químicos pesados. La fracción de iones ligeros y pesados de la radiación galáctica contiene la mayor parte de los iones de carbono, oxígeno y hierro; de estos elementos estables, los núcleos estelares se forman como resultado de la evolución de las estrellas.
Los resultados de las mediciones de los satélites espaciales sirvieron como base para otros cálculos de modelos, que mostraron que fuera de la magnetosfera de la Tierra, caen alrededor de 105 iones pesados por centímetro cuadrado de área por año, y alrededor de 160 partículas con una carga Z mayor que 20. Esto significa que durante un vuelo a Marte en todos los días, tal número de ellos caerá sobre un centímetro cuadrado de la superficie corporal del cosmonauta.
Los iones pesados del espacio son tan energéticos que "perforan" la piel de una nave espacial moderna en el espacio exterior, como balas de cañón que bombardean la seda fina. Los científicos del Laboratorio de Biología de las Radiaciones del JINR han descubierto cómo esto puede dañar la salud de los mensajeros de la Tierra en un largo viaje.
A Marte, ¿al tacto?
“Logramos descubrir por qué las mismas dosis de radiación diferente (flujo de iones pesados, neutrones, radiación gamma) causan efectos diferentes en las células vivas”, dice Evgeny Krasavin, director de LRB JINR, miembro correspondiente de RAS. - Resultó que las diferencias en la efectividad de la acción de diferentes radiaciones están asociadas tanto con las características físicas de la radiación como con las propiedades biológicas de la propia célula viva: su capacidad para reparar el daño del ADN después de la irradiación. En experimentos con aceleradores de iones pesados, encontramos que el daño más severo al ADN ocurre bajo la influencia de iones pesados. La diferencia entre el impacto de los rayos X (un haz de fotones) y un haz de iones pesados se puede imaginar así: disparar un pequeño disparo de un arma a una pared es daño de los rayos X,disparar una bala de cañón a la misma pared es la destrucción de un ion pesado. Las partículas pesadas, que poseen una gran masa, pierden mucha más energía por unidad de distancia recorrida que sus contrapartes más ligeras. Por eso, al atravesar la célula, un ión pesado en su camino produce una gran destrucción. Cuando una partícula pesada atraviesa el núcleo celular, se forma una lesión de "tipo racimo" con múltiples rupturas de enlaces químicos en el fragmento de ADN. Causan varios tipos de daños cromosómicos graves en los núcleos de las células ". Cuando una partícula pesada pasa a través del núcleo celular, se forman lesiones de "tipo racimo" con múltiples rupturas de enlaces químicos en el fragmento de ADN. Causan varios tipos de daños cromosómicos graves en los núcleos de las células ". Cuando una partícula pesada pasa a través del núcleo celular, se forma una lesión de "tipo racimo" con múltiples rupturas de enlaces químicos en el fragmento de ADN. Causan varios tipos de daños cromosómicos graves en los núcleos de las células ".
Además, la lógica del razonamiento de los científicos era la siguiente. Los iones de hidrógeno (protones) con una energía de 200-300 MeV / nucleón tienen tiempo para recorrer un camino de 11 cm de largo en el agua antes de la desaceleración completa El cuerpo humano es 90% de agua. Extrapolando este resultado a un cuerpo humano vivo, llegamos a la conclusión: incluso los iones ligeros en su camino pueden dañar miles de células de nuestro cuerpo. En el caso de iones pesados con una carga de más de 20, cabe esperar un resultado aún más deplorable para la salud.
¿Qué órganos humanos pueden ser dañados por los iones pesados galácticos de forma más grave y potencialmente mortal?
- Si piensa en la proliferación activa, la renovación rápida, de tejidos corporales, como la sangre o la piel, el daño debido a las propiedades naturales se recuperará rápidamente, explica el director de LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Pero en los tejidos estáticos: el sistema nervioso central, los ojos, que no tienen la capacidad natural de reparar rápidamente el daño, el flujo constante de iones pesados tendrá un efecto dañino de capas, causando la muerte celular regular. Pero el sistema nervioso central y el ojo son los "chips" de control de nuestro cuerpo.
En experimentos con animales en Dubna, un grupo de radiobiólogos dirigido por el académico de la Academia de Ciencias de Rusia Mikhail Ostrovsky estudió los mecanismos del efecto de los iones pesados en las estructuras del ojo: el cristalino, la retina y la córnea. En los aceleradores JINR, se irradiaron ratones y soluciones de cristalinas (proteínas) de su lente con haces de protones de 100-200 MeV.
“El lente cristalino de humanos y vertebrados está compuesto en un 90% por alfa, beta y gamma-cristalinas”, dijo el académico Ostrovsky en su discurso en una reunión de visita de la Oficina del Departamento de Matemática Física y Mecánica de la Academia de Ciencias de Rusia. - El contenido de estas proteínas en el cristalino es aproximadamente el mismo, pero difieren significativamente en estructura y peso molecular. La exposición a radiación ultravioleta o radiación puede causar agregación cristalina, la aparición de fibras opacas en el cristalino. Como resultado de la agregación, se forman grandes conglomerados de dispersión de luz que conducen al enturbiamiento del cristalino, es decir, al desarrollo de cataratas. Al pasar a través del cristalino del ojo, incluso los iones pesados individuales después de un tiempo pueden hacer que se vuelva turbio.
Regresa a la Tierra como un Homo sapiens
Menos de todos los radiobiólogos han estudiado el efecto dañino de los iones pesados en el sistema nervioso central. Según los expertos de la NASA, durante una misión a Marte, del 2 al 13 por ciento de las células nerviosas serán atravesadas por al menos un ión de hierro. Y un protón volará a través del núcleo de cada célula del cuerpo cada tres días. Por tanto, existe un grave peligro de violaciones irreversibles de las reacciones de comportamiento de la tripulación del barco. Esto pone en peligro la misión general. El cerebro es un instrumento muy delicado y la alteración de pequeñas partes del mismo puede provocar la pérdida del funcionamiento de todo el cuerpo, como es el caso de las personas que han sufrido un accidente cerebrovascular o las que padecen la enfermedad de Alzheimer.
En el Laboratorio de Radiación Espacial de la NASA en Brookhaven, utilizando un haz de iones de hierro acelerado a una energía de 1 GeV / nucleón, se simuló la radiación galáctica en el preacelerador de iones pesados del colisionador RHIC en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. El experimento con ratas se denominó "prueba cognitiva". Se colocó una pequeña área sólida en una piscina redonda bajo una fina capa de agua opaca. Las ratas de laboratorio, primero sanas y luego irradiadas con haces de iones de hierro, fueron lanzadas a esta piscina y monitorearon qué tan rápido los animales podían encontrar esta área y trepar a ella. Las ratas sanas encontraron rápidamente el sitio y caminaron hacia él por el camino más corto. La irradiación con iones pesados alteró drásticamente las funciones cognitivas (capacidad de aprendizaje) de los animales. Un mes después de la irradiación, el comportamiento de la rata cambió drásticamente. Ella hizo un bucleDurante mucho tiempo rodeó la piscina, hasta que casi accidentalmente logró sentir el suelo sólido bajo sus pies. Las habilidades de pensamiento del animal se vieron gravemente afectadas. No se observó tal efecto cuando las ratas fueron irradiadas con rayos X y radiación gamma.
Para representar las posibles consecuencias de la irradiación del cuerpo humano con iones pesados, es necesario "jugar" el modelo de peligro cósmico en primates, creen los investigadores. Sin embargo, el daño revelado en los roedores por los efectos de la radiación galáctica de los iones pesados es lo suficientemente convincente como para no pensar en ello cuando se planea enviar personas en un largo vuelo a Marte.
Cómo evitar problemas
De lo que los físicos y biólogos saben hoy, se deduce que el riesgo de daño por radiación para los astronautas no puede reducirse a cero durante más de un año de viaje a Marte. Los métodos para reducir este riesgo existen hasta ahora en forma de ideas.
Primera idea: planificar un vuelo a Marte durante el ciclo solar máximo. En este momento, el flujo de rayos cósmicos galácticos será menor debido a que el campo magnético interplanetario del sistema solar doblará las trayectorias de los rayos cósmicos galácticos, buscando reducir la intensidad de sus partículas y "barriendo" las partículas con energías inferiores a 400 MeV / nucleón del sistema solar.
La segunda idea: reducir significativamente las dosis de radiación de la radiación galáctica por medio de una protección confiable de la nave y proporcionar en el diseño de la nave un compartimiento-refugio especial con una protección más poderosa contra poderosas corrientes de viento solar impredecible. Ya se están desarrollando nuevos tipos de materiales protectores que serían más efectivos que el aluminio que se usa actualmente, por ejemplo, plásticos que contienen hidrógeno como el polietileno. Con su ayuda, es posible crear una protección capaz de reducir la dosis de radiación en un 30 - 35% a un grosor de 7 cm. Es cierto que esto no es suficiente, dicen los científicos, se debe aumentar el grosor de la capa protectora. Y si no funciona, reduzca significativamente la duración del vuelo, digamos, al menos a 100 días. Cien días es una cifra que hasta ahora sólo se justifica intuitivamente. Pero en cualquier caso, necesitas volar más rápido.
La tercera idea: suministrar a los pilotos de la nave espacial marciana fármacos antirradiación eficaces que podrían fortalecer significativamente los enlaces entre las proteínas del ADN, reduciendo su vulnerabilidad al bombardeo de iones pesados.
La cuarta idea: crear un campo magnético artificial alrededor de la nave, similar al campo magnético terrestre. Existe un proyecto para un imán toroidal superconductor, dentro y fuera del cual el campo se acerca a cero, para no dañar la salud de los astronautas. El poderoso campo de tal imán debería desviar una gran proporción de protones y núcleos cósmicos de la nave espacial y reducir la dosis de radiación de 3 a 4 veces durante la expedición a Marte. El prototipo de un imán de este tipo ya se ha creado y se utilizará en un experimento para estudiar los rayos cósmicos a bordo de la Estación Espacial Internacional.
Sin embargo, hasta que las ideas de proteger a la tripulación marciana no hayan encontrado su encarnación, solo hay una salida, dicen los radiobiólogos: realizar estudios radiobiológicos detallados en condiciones terrestres en aceleradores de iones pesados, que, en condiciones terrestres, permitirán simular el efecto dañino de núcleos pesados de alta energía que emanan de las profundidades de la galaxia. Entre estos aceleradores únicos se encuentran el Nuclotron del Laboratorio de Física de Altas Energías de JINR y el complejo colisionador NICA que se está creando sobre esta base. Los científicos depositan grandes esperanzas en las capacidades de estas instalaciones.
Y si tenemos prisa por volar a Marte, entonces es hora de construir naves espaciales más rápidas o de dejar los sueños de vuelos tripulados en el espacio profundo por el momento. Deja que los robots viajen por ahora.
