Физическими методами от галактических лучей защититься нельзя – Евгений Красавин

14.12.2021



Революционная концепция оценки радиационных рисков межпланетных пилотируемых полетов, которую выдвинули академики Анатолий Григорьев, Михаил Островский и член-корреспондент РАН Евгений Красавин, опубликовав в Вестнике Российской Академии Наук (2017, том 87, № 1, с. 65–69) статью на эту тему, вызвала большой резонанс. Что делать космонавтике в свете обнаруженных данных о нарушениях функций центральной нервной системы под действием космических лучей? Как именно они влияют на мозг? В каком направлении продолжать исследования? Об этом в интервью для сайта РАН рассказал один из авторов концепции, научный руководитель Лаборатории радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, член-корреспондент РАН Евгений Красавин.

(jpg, 57 Kб)

Евгений Александрович, расскажите, какие радиационные условия ждут человека в дальнем космосе?

Если говорить об источниках ионизирующих излучений в межпланетном пространстве, то прежде всего это, конечно, Солнце, генерирующее поток протонов различных энергий. Но их энергия не очень велика, порядка сотни МэВ, иногда, в период вспышек, выше.

Второй источник – галактические космические лучи (ГКЛ). Это потоки заряженных частиц, которые прилетают из-за пределов Солнечной системы изотропно, то есть действуют на объект со всех сторон. На 92 % они тоже состоят из протонов. Около 7 % – это ядра гелия, а кроме того – тяжелые ядра с Z более 3, прежде всего углерода и железа. (Z – зарядовое число ядра, показывающее, сколько в нем протонов. – Прим. ред.). Их немного – около 1 %, но они являются головной болью для радиобиологов, потому что специфика их воздействия настолько велика, что те подходы, которые были разработаны при оценке биологической эффективности воздействия протонов высоких энергий, здесь не работают.

В составе ГКЛ тяже­лые ядра представлены в основном двумя группами: группой ядер углерода с Z = 6–9, и группой ядер железа с Z = 16–26. Энергия этих ядер простирается в широком диапазоне, вплоть до сверхвысоких энергий порядка 1014 МэВ, однако в интегральном потоке частиц наиболее представлены ядра с энергиями в диапазоне 300–500 МэВ/нуклон. Частицы с такими энергиями обладают высокой способностью проходить через вещество физической защиты, например, ядра углерода с такой энергией в воде пробегают примерно 20 см и более. То есть, защититься от воздействия такого типа ионизирующего излучения, используя при строительстве пилотируемых космических аппаратов разумные способы физической защиты, практически невозможно.

А если поставить достаточно толстую защиту?

Наращивать защиту тоже нельзя, поскольку под действием галактических лучей в ней возникают различные кумулятивные эффекты, когда рождается очень большой спектр вторичных излучений, включая нейтроны, протоны, другие фрагменты ядер, которые обладают высокой биологической эффективностью. Когда тяжелая частица попадает в материал защиты, она порождает каскад других частиц, которые также опасны для человека. В результате при увеличении защиты интеграл по дозе облучения может быть большим, чем от первичного воздействия самого излучения. Это можно сравнить со снарядом, который попадает в броню, а экипаж внутри танка поражается осколками брони.

А от солнечных протонов можно защититься?

Да, можно. Даже когда речь идет о самых сильных солнечных вспышках, при которых можно получить несовместимую с жизнью дозу, от протонов спасет радиационное убежище, которое вполне можно устроить на больших межпланетных кораблях. Но от галактических лучей таким способом защититься нельзя.

Сколько таких «снарядов» носится по космосу?

Интегральный поток ядер группы углерода и железа составляет 105 частиц на cм2 в год, то есть порядка 300 частиц на cм2 в сутки. Плотности же потока частиц с Z равным или больше 20 в открытом космосе составляет порядка 160 частиц в сутки на см2. При полете к Марсу 2–3 % нейронов будут подвергаться действию по меньшей мере одного иона железа. Идет постоянный обстрел частицами, от которых защита физическими методами в принципе невозможна.

 (jpg, 28 Kб)

В чем специфика воздействия такого обстрела?

Дело в том, что распределение дозы от разных видов излучения абсолютно различно. На этом слайде слева показана некая единица массы вещества, в котором при действии излучения электромагнитной природы – рентгеновского излучения, гамма-квантов и т.д. – формируется некая доза излучения, то есть результат многих актов передачи энергии, которая в конце концов аккумулирует накопление этой дозы. Доза – это и есть энергия, которую передало излучение веществу. Но при этом та же единица дозы в единице вещества при действии тяжелой заряженной частицы – в данном случае иона железа – сосредоточена в одном треке. Пространственное распределение дозы абсолютно различно. Можно сказать, что тяжелые частицы действуют как пуля, а радиация электромагнитной природы – как дождик. А значит, это различие должно влиять на реализацию различных радиационно-индуцированных эффектов.

А что из себя трек заряженной частицы представляет физически? Насколько он велик?

Трек условно разделяется на две части. Сердцевина трека – так называемый «кор», соответствующий направлению движения частицы, – это зона с очень высокой плотностью ионизации. Специалистами ее радиус принимается равным величине около 25 ангстрем. (Радиус атома – около 1-2 ангстремов. – Прим. ред.). Однако заряженная частица, взаимодействуя, главным образом, с электронами атомов, выбивает их из электронных оболочек и формирует так называемую «пенамбру» – «ершик», или дельта-электронную шубу.

То есть «пуля» еще и разрывная?

На упомянутом выше слайде справа вы видите трек ядра железа с «кОровой» частью и «шубой» на фоне размеров клетки, изображенной голубым цветом. В данном случае радиус «ершика» составляет около 15 микрон, при том что размер клетки – около 20-25 микрон. Но ширина трека может многократно превышать размеры клетки. К примеру, при облучении ядрами криптона, которые еще тяжелее железа, отдельные дельта-электроны могут пролетать несколько сантиметров.

 (jpg, 30 Kб)

И чем грозит попадание такой «пули» в человека?

При воздействии такого типа излучения возможны генетические нарушения, мы о них поговорим подробнее позже, раковые заболевания и нарушения зрительных функций – катаракта и повреждение сетчатки, а также нарушение функций центральной нервной системы.

До недавнего времени специалисты западных стран, занимающиеся космической деятельностью, основывали расчеты радиационных рисков при пилотируемых полетах в дальний космос, выбирая в качестве основного критерия опасности индукцию раковых заболеваний. Почему?

 (jpg, 35 Kб)

На слайде выше – результаты исследований, выполненных американскими радиобиологами, где отражены величины относительного риска возникновения ракового заболевания при действии различных видов излучений. На графике видно, что индукция раковых заболеваний при действии ускоренных тяжелых ионов – в данном случае железа – происходит в 20 раз более эффективно, чем при воздействии гамма-квантов. Опасно? Да, очень опасно! Колоссальная эффективность!  

Но когда я встречался с американскими коллегами, я всегда им говорил: «Слушайте, ведь индукция раковых заболеваний – это отдаленные эффекты, которые реализуются в поздние сроки после облучения. Пройдет 2-3 года как минимум. Полетят эти герои на Марс, и даже если возникнут раковые заболевания, то они вернутся на Землю, мы будем их лечить, но миссия-то будет выполнена. А вот если возникнут какие-то другие радиационно-индуцированные эффекты, которые будут влиять на реализацию полета как такового, то необходима совсем другая система оценок риска». 

«Да-да, это вы правильно говорите, – отвечают мне, – но вы не очень гуманно рассуждаете».

Как не гуманно? Это супердорогие проекты, которые готовит все человечество, и надо быть уверенными в успешном выполнении миссии.

 (jpg, 39 Kб)

И что же может угрожать непосредственно марсианской миссии?

Одним из наиболее интересных первых экспериментов, который сделали наши американские коллеги в 2012 году, – это оценка нарушений когнитивных функций у крыс, облученных тяжелыми заряженными частицами – ядрами железа. Они использовали так называемый тест Барнса: круг с некоторым количеством закрытых отверстий и одним открытым отверстием. Вот он изображен на слайде выше. Подопытных животных помещают на этот круг, и крыса начинает искать открытое отверстие, и при этом засекается время, которое она затрачивает на поиски. У крысы формируется оперативная память на решение задачи и с каждой новой попыткой животное затрачивает на поиски все меньше времени, как видно на графике справа по зеленым столбцам.

У группы животных, облученных ионами железа в дозе 0,2 Гр, а это примерно та доза, которую получат космонавты в ходе полета к Марсу. (Гр – Грей, единица поглощенной дозы ионизирующего излучения. – Прим. ред.) Через 3 месяца проводили те же испытания, что и у контрольных необлученных животных. У облученных животных время на поиски не только не уменьшалось, а даже увеличивалось, как показывают желтые столбики на графике. Происходит нарушение памяти.

Если облучать рентгеновскими лучами и, в общем, и протонами, поскольку по линейной передаче энергии эти излучения близки, то доза, при которой начинают проявляться какие-то нарушения в работе нервной системы, превышает 10 Гр. Для человека это смертельная доза, и он к моменту развития подобных нарушений умрет от других причин. Возникает вопрос, почему при действии тяжелых ионов наблюдается такой эффект, а при действии излучения электромагнитной природы – нет. Ответ на этот вопрос мы смогли найти в нашей лаборатории.

Для начала мы повторили эксперименты американцев с крысами, а затем впервые в мире вместе со специалистами ИМБП и МГУ провели эксперименты с обезьянами.

 (jpg, 19 Kб)

Облучение приматов протонами с энергией 170 МэВ.

Расскажите, пожалуйста, подробнее об этих экспериментах.

Предварительно животные обучаются выполнять на компьютере определенные задачи, например, совместить квадрат с кругом и другие похожие тесты. Они, кстати, хорошо работают с компьютерными мышками и джойстиками. Те, кто занимался их обучением, говорят, что сначала их поощряли различными стимулами, бананом или соком, а потом они начинали работать без всякого поощрения, на интерес. Причем с задачами справляются иногда быстрее, чем человек.

Потом часть обезьян подвергли действию различных видов ионизирующих излучений. Их сажают в кресло и позиционируют облучение строго в область головы. Облучают их в щадящем режиме, по 3 минуты – не больше. Дозы небольшие – не выше 1 Гр. Все эти животные до сих пор живы. Один сеанс облучения углеродом не вредит их здоровью в плане раковых заболеваний, а вот на когнитивных способностях сказывается.

 (jpg, 28 Kб)

После облучения обезьяны снова выполняют задания и их результаты сравнивают с результатами контрольной группы. Выяснилось, что при облучении ионами углерода (На графике выше кривая результатов после облучения углеродом обозначена красной стрелкой. – Прим. ред.) количество правильных решений резко уменьшается, а количество ошибок растет. Интересно, что при действии протонов почему-то наблюдается обратная картина. Пока это непонятно.

Но главное, мы смогли выявить нарушение когнитивной деятельности мозга при воздействии тяжелых заряженных частиц у приматов. При действии более тяжелых заряженных частиц, например, ионов железа мы ожидаем еще более выраженные радиационные нарушения. Важно заметить, что в этих экспериментах мы приблизились к пониманию ответа на вопрос, почему наблюдаются эти эффекты.

И в чем же оказалось дело?

Специалисты нашей лаборатории методами молекулярной динамики с использованием суперкомпьютерных вычислений рассчитали, что происходит с клеткой мозга – нейроном – при воздействии заряженной частицы. И выяснилась важная связь между генетическими нарушениями (генными и структурными мутациями) в определенных хромосомах и работой нейрорецепторов.

Хромосомы отвечают за синтез белков, которые участвуют в строительстве рецепторов, осуществляющих взаимодействие различных нейронов. Мутации приводят к тому, что хромосомы начинают кодировать синтез аномальных белков, обладающих совершенно искаженными пространственными характеристиками. В результате этого происходит изменение структуры ионных каналов, которые обеспечивают межнейронное взаимодействие, и это взаимодействие нарушается.

 (jpg, 60 Kб)

Кстати, когда стали сопоставлять эти результаты с клиническими данными, то оказалось, что при различных тяжелых заболеваниях, таких как тяжелая форма эпилепсии или аутизм, наблюдаются такие же процессы. То есть тяжелые заряженные частицы как бы моделируют нейродегенеративные заболевания.

Получается, что в ходе полета на Марс у космонавтов могут развиваться такого рода нарушения?

Эти вопросы еще предстоит исследовать, но уже сейчас возникают опасения, что нарушения когнитивных способностей могут возникнуть непосредственно в ходе полета. Поэтому нами предлагается другой подход к оценке радиационной безопасности при пилотируемых полетах вне магнитосферы Земли, где на первый план выходит оценка опасности воздействия на центральную нервную систему.

Ставят ли результаты этих исследований крест на мечте о космических полетах в ближайшие десятилетия?

Ни в коем случае! Когда я делал доклад о результатах этих исследований в Академии наук, то там присутствовал космонавт, руководитель Центра подготовки космонавтов Сергей Крикалев. И он спросил: «А что же делать?»

Прежде всего, надо продолжать исследования. Когда будет завершен в Дубне наш мегапроект – ускоритель NICA – и мы получим пучки различных типов заряженных частиц и различных энергий, то появится возможность более точно оценивать дозовые нагрузки от воздействия различных типов частиц в экспериментах как с мелкими лабораторными животными, так и с обезьянами. Мы сможем наработать базовые данные, которые раньше были получены для протонов, а потом уже от этого строить дальнейшую тактику, которая будет заключаться, во-первых, в проработке возможных сценариев полета, а, во-вторых, в подборе каких-то профилактических радиопротекторных соединений, а такие работы тоже ведутся. Должна появиться соответствующая фармакология. От воздействия самой «пули», конечно, она не спасет, а вот на процессы, которые после этого начинаются в центральной нервной системе, повлиять можно.

И что же именно Вы ответили Крикалеву в ответ на вопрос, что делать?

Я ему ответил: «Лететь надо быстрее! Не год, а три месяца. Нужна разработка новых двигателей, потому что фактор времени будет играть колоссальную роль».

Ситуация нисколько не фатальная. Просто необходимо заниматься этим вопросом, а им пока занимаются мало и установок, на которых радиационное воздействие в ходе такого полета можно моделировать, не очень много. В России условия для таких исследований есть только у нас в Дубне, а у американцев – только в Брукхейвенской национальной лаборатории. В Протвино есть пучок ионов углерода, но тяжелее частиц там нет. А здесь нужны именно тяжелые ядра.

Мы, к примеру, уже провели первый эксперимент с ионами криптона, которые тяжелее ядер железа, а в дальнейшем на нашем коллайдере NICA возможностей для проведения таких экспериментов станет еще больше.

 (jpg, 36 Kб)

NASA и «Роскосмос» еще не признали вашу концепцию риска?

За NASA говорить не буду, а в «Роскосмосе», надеюсь, эти вопросы будем обсуждать более детально.

В апреле 2021 года ТАСС со ссылкой на исполнительного директора «Роскосмоса» по перспективным программам и науке Александра Блошенко сообщил, что наша космическая госкорпорация планирует начать исследования по применению генной инженерии для модификации человеческого организма в целях подготовки полетов в дальний космос. Выход в космос может стать новым этапом в эволюции человека?

Помните, что сказал Гамлет о человеке?

Назвал его квинтэссенцией праха?

Он сказал: «Какое чудо природы человек! Как благороден разумом! С какими безграничными способностями! Как точен и поразителен по складу и движеньям! В поступках как близок к ангелу! В воззреньях как близок к Богу! Краса вселенной! Венец всего живущего!».

Быстро мутируют только вирусы – «устройства», которые, особенно в последнее время, я очень не люблю. Их даже живыми не назовешь. Вирус размножается, когда внедряется внутрь живой клетки. А вот бактериальные клетки, которыми я много занимался, ведут себя чрезвычайно устойчиво. Если вы поместите эти клетки в другие условия и создадите, как говорят генетики, некое селективное давление на систему, то клетка приспособится и будет отвечать тем условиям, которые вы для нее создали. Но если вы снимите это селективное давление, то она опять придет в состояние, как мы говорим, дикого типа, то есть в нормальное изначальное состояние. Почему? Да потому что это идеальная система.

А как же эволюция?

Эволюция – вопрос очень сложный. Это не наша область. Однако, например, существуют мнения, что эволюции как таковой нет, а есть некая априорно заданная матрица, где все разложено, как в таблице Менделеева. Новые или недостающие виды животных можно предсказать так же, как химические элементы.

У нас у всех есть остатки хвоста, а сегодня утром по телевизору мне показывают разработки военных – экзоскелеты, которые усиливают мышечные возможности человека, и к нему, оказывается, великолепно подходит хвост. Так что вот он, путь для эволюции!

Роль мутаций в эволюционном процессе – очень сложный вопрос. Мы не эволюционисты. Для нас мутагенез и рак – почти тождественные вещи. В большинстве своем мутации – явление отрицательное по определению, потому что зачем улучшать то, что идеально. А человек – идеальная система.

Беседовал Леонид Ситник, редакция сайта РАН

©РАН 2022