Пилотируемые межпланетные миссии сопряжены с существенным ростом радиационной нагрузки, сопровождающим выход за пределы магнитного поля Земли. Оно защищает Землю и космонавтов на МКС от действия наиболее опасного компонента космической радиации — галактических космических лучей, представленных тяжелыми заряженными частицами (атомными ядрами) высоких энергий.
Фото: Reuters
Фото: Reuters
Об отдаленных последствиях ионизирующего излучения хорошо известно, и с рисками этих последствий будущим космонавтам придется мириться. Однако была высказана гипотеза, что галактические космические лучи могут вызвать нарушения в центральной нервной системе (ЦНС) непосредственно в ходе полета, что приведет к нарушению операторской деятельности экипажа. Такие нарушения могли бы критически отразиться на пилотировании корабля, управлении системами жизнеобеспечения, что привело бы к гибели экипажа непосредственно в ходе миссии.
В чем же опасность этих тяжелых частиц? Все дело в распределении энергии. Пролетая через живую ткань, словно пушечное ядро, такая частица формирует отчетливо детектируемый путь и, сталкиваясь на пути с другими ядрами, порождает вторичную радиацию (осколки ядер, протоны, нейтроны, электроны и гамма-кванты), которая значительно увеличивает область поражения, достигающую 10 мкм в диаметре. Несмотря на относительно небольшую суммарную поглощенную дозу, скажем 0,1 Грей, локальная поглощенная доза непосредственно в области пролета частицы может составлять 80 000 Грей. (Грей — единица поглощенной дозы ионизирующего излучения. Поглощенная доза равна одному грею, если вещество получило один джоуль энергии на один килограмм массы.) Это в корне отличается от гамма-радиации, для которой характерна равномерная ионизация, а порожденные ею свободные радикалы редко отлетают от места события далее чем на 3 нанометра.
Краеугольным камнем изучения влияния галактических космических лучей является выбор модели облучения. Естественное облучение космонавтов на МКС является наиболее релевантной моделью, однако выборка невелика и эквивалентная доза не только меньше (примерно в 2,5 раза), но и набирается в значительной мере за счет относительно легких протонов. Поэтому основным источником данных о влиянии космического излучения остаются модельные наземные эксперименты. В ряде экспериментов ученые используют протоны в значительно больших дозах, пытаясь за счет этого смоделировать эффект тяжелых частиц (к примеру, ядер железа). Другая тенденция — завышение дозы с целью обнаружения негативных эффектов, так как такие статьи легче опубликовать.
Автору этих строк понадобилось пять лет, чтобы побороть авторитетное мнение, собрать группу и получить финансирование под собственный проект. Мы использовали более релевантную комбинацию ионизирующих излучений, сопоставимую по эквивалентной дозе с 860-дневной марсианской миссией (0,7 Зиверта против 1 Зиверта, измеренного в ходе миссии Curiosity; 1 зиверт — количество энергии, поглощенное килограммом биологической ткани, равное по воздействию поглощенной дозе гамма-излучения в 1 Грей).
В ходе первых экспериментов удалось выявить несколько интересных феноменов. Во-первых, был показан стимулирующий эффект ионизирующего излучения на двигательную активность и когнитивные способности грызунов. Во-вторых, оказалось, что ионизирующее излучение нейтрализует негативные эффекты другого фактора космического полета — гипогравитации. Эти результаты хорошо согласуются с работами американских коллег, в которых были показаны как нейропротекторный эффект облучения (у пациентов с болезнью Альцгеймера), так и нейтрализация негативных эффектов гипогравитации (на культурах клеток). Работы были продолжены с использованием более релевантной модели, описанной выше. Эффекты были подтверждены и в новых условиях. Однако вопрос о механизмах, лежащих в основе наблюдаемых эффектов, оставался открытым.
Последняя работа нашей группы позволила отчасти раскрыть эти механизмы. Было установлено, что за так называемое стимулирование ЦНС ответственно снижение уровня гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) — основного тормозного медиатора головного мозга. Этот эффект, вероятно, обусловлен увеличением количества фермента, ответственного за утилизацию ГАМК. В то же время нас насторожило изменение баланса между ГАМК и ее «антагонистом» — глутаматом, которое является патологическим звеном ряда психиатрических и нейродегенеративных заболеваний. И тут кроется самый важный результат проведенной работы. Через семь месяцев после облучения баланс ГАМК—глутамат восстанавливается. Но не за счет восстановления уровня ГАМК, а за счет снижения глутамата. Таким образом, с одной стороны, мы говорим об относительно безопасном влиянии галактических космических лучей на ЦНС, а с другой стороны, отмечаем, что радиация все же вызывает значительные молекулярные изменения в нервной ткани, которые, так уж сложилось, не вызывают серьезных нарушений функций ЦНС. С легкими нарушениями психоэмоционального плана человек может справиться на уровне эмоционально-волевого поведения, недоступного грызунам, особенно учитывая жесткий отбор и тренировки будущих космонавтов и, мы смеем в это верить, космических колонизаторов.