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
Как уже говорилось, едва американцы начали свою космическую программу, их ученый Джеймс Ван Аллен совершил достаточно важное открытие. Первый американский искусственный спутник, запущенный ими на орбиту, был куда меньше советского, но Ван Аллен додумался прикрепить к нему счетчик Гейгера. Таким образом, была официально подтверждена высказанная еще в конце ХIХ в. выдающимся ученым Николой Теслой гипотеза о том, что Землю окружает пояс интенсивной радиации.
Фотография Земли астронавта Уильяма Андерса
во время миссии «Аполлон-8» (архив НАСА)
Тесла, однако, считался большим чудаком, а академической наукой - даже сумасшедшим, поэтому его гипотезы о генерируемом Солнцем гигантском электрическом заряде давно лежали под сукном, а термин «солнечный ветер» не вызывал ничего, кроме улыбок. Но благодаря Ван Аллену теории Теслы были реанимированы. С подачи Ван Аллена и ряда других исследователей было установлено, что радиационные пояса в космосе начинаются у отметки 800 км над поверхностью Земли и простираются до 24 000 км. Поскольку уровень радиации там более или менее постоянен, входящая радиация должна приблизительно равняться исходящей. В противном случае она либо накапливалась бы до тех пор, пока не «запекла» Землю, как в духовке, либо иссякла. По этому поводу Ван Аллен писал: «Радиационные пояса можно сравнить с протекающим сосудом, который постоянно пополняется от Солнца и протекает в атмосферу. Большая порция солнечных частиц переполняет сосуд и выплескивается, особенно в полярных зонах, приводя к полярным сияниям, магнитным бурям и прочим подобным явлениям».
Радиация поясов Ван Аллена зависит от солнечного ветра. Кроме того, они, по-видимому, фокусируют или концентрируют в себе эту радиацию. Но поскольку концентрировать в себе они могут только то, что пришло напрямую от Солнца, то открытым остается еще один вопрос: сколько радиации в остальной части космоса?
Орбиты атмосферных частиц в экзосфере (dic.academic.ru)
У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы. Она открыта всем солнечным ветрам. Если бы во время лунной экспедиции произошла сильная солнечная вспышка, то колоссальный поток радиации испепелил бы и капсулы, и астронавтов на той части поверхности Луны, где они проводили свой день. Эта радиация не просто опасна - она смертельна!
В 1963 году советские ученые заявили известному британскому астроному Бернарду Ловеллу, что они не знают способа защитить космонавтов от смертельного воздействия космической радиации. Это означало, что даже намного более толстостенные металлические оболочки российских аппаратов не могли справиться с радиацией. Каким же образом тончайший (почти как фольга) металл, используемый в американских капсулах, мог защитить астронавтов? НАСА знало, что это невозможно. Космические обезьяны погибли менее чем через 10 дней после возвращения, но НАСА так и не сообщило нам об истинной причине их гибели.
Обезьяна-астронавт (архив РГАНТ)
Большинство людей, даже сведущих в космосе, и не подозревают о существовании пронизывающей его просторы смертельной радиации. Как ни странно (а может быть, как раз по причинам, о которых можно догадаться), в американской «Иллюстрированной энциклопедии космической технологии» словосочетание «космическая радиация» не встречается ни разу. Да и вообще эту тему американские исследователи (особенно связанные с НАСА) обходят за версту.
Между тем Ловелл после беседы с русскими коллегами, которые отлично знали о космической радиации, отправил имевшуюся у него информацию администратору НАСА Хью Драйдену, но тот проигнорировал ее.
Один из якобы посетивших Луну астронавтов Коллинз в своей книге упоминал о космической радиации только дважды:
«По крайней мере, Луна была далеко за пределами земных поясов Ван Аллена, что предвещало хорошую дозу радиации для тех, кто побывал там, и смертельную - для тех, кто задержался».
«Таким образом, радиационные пояса Ван Аллена, окружающие Землю, и возможность солнечных вспышек требуют понимания и подготовки, чтобы не подвергать экипаж повышенным дозам радиации».
Так что же означает «понимание и подготовка»? Означает ли это, что за пределами поясов Ван Аллена остальной космос свободен от радиации? Или у НАСА была секретная стратегия укрытия от солнечных вспышек после принятия окончательного решения об экспедиции?
НАСА утверждало, что просто может предсказывать солнечные вспышки, и поэтому отправляло на Луну астронавтов тогда, когда вспышек не ожидалось, и радиационная опасность для них была минимальна.
Пока Армстронг и Олдрин выполняли работу в открытом космосе
на поверхности Луны,Майкл Коллинз
ставался на орбите (архив НАСА)
Впрочем, другие специалисты утверждают: «Возможно предсказать только приблизительную дату будущих максимальных излучений и их плотность».
Советский космонавт Леонов все же вышел в 1966 году в открытый космос - правда, в сверхтяжелом свинцовом костюме. Но спустя всего лишь три года американские астронавты прыгали на поверхности Луны, причем отнюдь не в сверхтяжелых скафандрах, а скорее совсем наоборот! Может, за эти годы специалисты из НАСА сумели найти какой-то сверхлегкий материал, надежно защищающий от радиации?
Однако исследователи вдруг выясняют, что по крайней мере «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» отправились в путь именно в те периоды, когда количество солнечных пятен и соответствующая солнечная активность приближались к максимуму. Общепринятый теоретический максимум 20-го солнечного цикла длился с декабря 1968 по декабрь 1969 гг. В этот период миссии «Аполлон-8», «Аполлон-9», «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» предположительно вышли за пределы зоны защиты поясов Ван Аллена и вошли в окололунное пространство.
Дальнейшее изучение ежемесячных графиков показало, что единичные солнечные вспышки - явление случайное, происходящее спонтанно на протяжении 11-летнего цикла. Бывает и так, что в «низкий» период цикла случается большое количество вспышек за короткий промежуток времени, а во время «высокого» периода - совсем незначительное количество. Но важно именно то, что очень сильные вспышки могут иметь место в любое время цикла.
В эпоху «Аполлонов» американские астронавты провели в космосе в общей сложности почти 90 дней. Поскольку радиация от непредсказуемых солнечных вспышек долетает до Земли или Луны менее чем за 15 минут, защититься от нее можно было бы только с помощью свинцовых контейнеров. Но если мощности ракеты хватило, чтобы поднять такой лишний вес, то почему надо было выходить в космос в тонюсеньких капсулах (буквально в 0,1 мм алюминия) при давлении в 0,34 атмосфер?
Это притом, что даже тонкий слой защитного покрытия, именуемого «майларом», по утверждениям экипажа «Аполлон-11», оказался столь тяжек, что его пришлось срочно стирать с лунного модуля!
Похоже, в лунные экспедиции НАСА отбирало особенных парней, правда, с поправкой на обстоятельства, отлитых не из стали, а из свинца. Американский исследователь проблемы Ральф Рене не поленился рассчитать, как часто каждая из якобы состоявшихся лунных экспедиций должна была попасть под солнечную активность.
Между прочим, один из авторитетных сотрудников НАСА (заслуженный физик, кстати) Билл Модлин в своей работе «Перспективы межзвездных путешествий» откровенно сообщал: «Солнечные вспышки могут выбрасывать ГэВ протоны в том же энергетическом диапазоне, что и большинство космических частиц, но гораздо более интенсивные. Увеличение их энергии при усиленной радиации представляет особую опасность, поскольку ГэВ протоны проникают сквозь несколько метров материала… Солнечные (или звездные) вспышки с выбросом протонов - это периодически возникающая очень серьезная опасность в межпланетном пространстве, которая обеспечивает дозу радиации в сотни тысяч рентген за несколько часов на расстоянии от Солнца до Земли. Такая доза является смертельной и в миллионы раз превышает допустимую. Смерть может наступить уже после 500 рентген за короткий промежуток времени».
Да, бравые американские парни потом должны были сиять похлеще четвертого чернобыльского энергоблока. «Космические частицы опасны, они исходят со всех сторон и требуют как минимум двух метров плотного экрана вокруг любых живых организмов». А ведь космические капсулы, которые по сей день демонстрирует НАСА, имели чуть более 4 м в диаметре. При толщине стен, рекомендуемой Модлиным, астронавты, даже без всякого оборудования, в них бы не влезли, уж не говоря о том, что и не хватило бы топлива для того, чтобы такие капсулы поднять. Но, очевидно, ни руководство НАСА, ни посланные им на Луну астронавты книжек своего коллеги не читали и, находясь в блаженном неведении, преодолели все тернии по дороге к звездам.
Впрочем, может быть, НАСА и впрямь разработало для них некие сверхнадежные скафандры, используя (понятно, очень засекреченный) сверхлегкий материал, защищающий от радиации? Но почему же его так больше нигде и не использовали, как говорится, в мирных целях? Ну ладно, с Чернобылем СССР они не захотели помогать: все-таки перестройка еще не началась. Но ведь, к примеру, в 1979 году в тех же США на АЭС «Тримайл-Айленд» произошла крупная авария реакторного блока, которая привела к расплавлению активной зоны реактора. Так что же американские ликвидаторы не использовали космические скафандры по столь разрекламированной технологии НАСА стоимостью ни много ни мало в $7 млн, чтобы ликвидировать эту атомную мину замедленного действия на своей территории?..
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,
Географической широты,
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.).
Одним из основных негативных биологических факторов космического пространства, наряду с невесомостью, является радиация. Но если ситуация с невесомостью на различных телах Солнечной системы (например, на Луне или Марсе) будет лучше, чем на МКС, то с радиацией дела обстоят сложнее.
По своему происхождению космическое излучение бывает двух типов. Оно состоит из галактических космических лучей (ГКЛ) и тяжелых положительно заряженных протонов, исходящих от Солнца. Эти два типа излучения взаимодействуют друг с другом. В период солнечной активности интенсивность галактических лучей уменьшается, и наоборот. Наша планета защищена от солнечного ветра магнитным полем. Несмотря на это, часть заряженных частиц достигает атмосферы. В результате возникает явление, известное как полярное сияние. Высокоэнергетические ГКЛ почти не задерживаются магнитосферой, однако они не достигают поверхности Земли в опасном количестве благодаря ее плотной атмосфере. Орбита МКС находится выше плотных слоев атмосферы, однако внутри радиационных поясов Земли. Из-за этого уровень космического облучения на станции намного выше, чем на Земле, но существенно ниже, чем в открытом космосе. По своим защитным свойствам атмосфера Земли приблизительно эквивалентна 80-сантиметровому слою свинца.
Единственным достоверным источником данных о дозе излучения, которую можно получить во время длительного космического перелета и на поверхности Марса, является прибор RAD на исследовательской станции Mars Science Laboratory, более известной как Curiosity. Чтобы понять, насколько точны собранные им данные, давайте для начала рассмотрим МКС.
В сентябре 2013 года в журнале Science была опубликована статья, посвященная результатам работы инструмента RAD. На сравнительном графике, построенном Лабораторией реактивного движения НАСА (организация не связана с экспериментами, проводимыми на МКС, но работает с инструментом RAD марсохода Curiosity), указано, что за полгода пребывания на околоземной космической станции человек получает дозу излучения, примерно равную 80 мЗв (миллизиверт). А вот в издании Оксфордского университета от 2006 года (ISBN 978-0-19-513725-5) говорится, что в сутки космонавт на МКС получает в среднем 1 мЗв, т. е. полугодовая доза должна составить 180 мЗв. В результате мы видим огромный разброс в оценке уровня облучения на давно изученной низкой орбите Земли.
Основные солнечные циклы имеют период 11 лет, и, поскольку ГКЛ и солнечный ветер взаимосвязаны, для статистически надежных наблюдений нужно изучить данные о радиации на разных участках солнечного цикла. К сожалению, как говорилось выше, все имеющиеся у нас данные о радиации в открытом космосе были собраны за первые восемь месяцев 2012 года аппаратом MSL на его пути к Марсу. Информация о радиации на поверхности планеты накоплена им же за последующие годы. Это не значит, что данные неверны. Просто нужно понимать, что они могут отражать лишь характеристики ограниченного периода времени.
Последние данные инструмента RAD были опубликованы в 2014 году. Как сообщают ученые из Лаборатории реактивного движения НАСА, за полгода пребывания на поверхности Марса человек получит среднюю дозу излучения около 120 мЗв. Эта цифра находится посередине между нижней и верхней оценками дозы облучения на МКС. За время перелета к Марсу, если он также займет полгода, доза облучения составит 350 мЗв, т. е. в 2-4,5 раза больше, чем на МКС. За время полета MSL пережил пять вспышек на Солнце умеренной мощности. Мы не знаем наверняка, какую дозу облучения получат космонавты на Луне, поскольку во времена программы «Аполлон» не проводились эксперименты, изучавшие отдельно космическую радиацию. Ее эффекты изучались лишь совместно с эффектами других негативных явлений, таких как влияние лунной пыли. Тем не менее, можно предположить, что доза будет выше, чем на Марсе, поскольку Луна не защищена даже слабой атмосферой, но ниже, чем в открытом космосе, т. к. человек на Луне будет облучаться только «сверху» и «с боков», но не из-под ног./
В заключение можно отметить, что радиация – это та проблема, которая обязательно потребует решения в случае колонизации Солнечной системы. Однако широко распространенное мнение, что радиационная обстановка за пределами магнитосферы Земли не позволяет совершать длительные космические полеты, просто не соответствует действительности. Для полета к Марсу придется установить защитное покрытие либо на весь жилой модуль космического перелетного комплекса, либо на отдельный особо защищенный «штормовой» отсек, в котором космонавты смогут пережидать протонные ливни. Это не значит, что разработчикам придется использовать сложные антирадиационные системы. Для существенного снижения уровня облучения достаточно теплоизоляционного покрытия, которое применяют на спускаемых аппаратах космических кораблей для защиты от перегрева при торможении в атмосфере Земли.
|
Космическая лента |
