Une équipe de chercheurs de l'Université de Rochester Medical Center (URMC) à New York a annoncé les résultats de leurs recherches. Les astronautes à long terme dans l'espace, par exemple, lors d'un vol vers Mars, peuvent entraîner des problèmes de santé dus au rayonnement galactique. En particulier, à la dégénérescence cérébrale, et peut-être même à l'apparition de la maladie d'Alzheimer.
Plus tôt, en 2012, des conclusions similaires avaient été rapportées par des scientifiques russes. Comme l'écrit Natalia Teryaeva dans le journal Ploschad Mira, «si vous partez pour une expédition martienne dans un vaisseau spatial moderne, le vol prendra au moins 500 jours. Pendant cette période de la mission spatiale, la santé des astronautes peut être irrémédiablement perdue.
Cela est démontré par les résultats d'études menées par des radiobiologistes et physiologistes russes, qui ont été discutés à l'Institut commun de recherche nucléaire (JINR) lors d'une réunion de visite du Bureau du Département de physiologie et de médecine fondamentale de l'Académie russe des sciences.
Les scientifiques voient le plus grand danger dans le rayonnement galactique: il peut priver une personne de la vue et de la raison, sans lesquelles il ne sera pas possible d'atteindre la cible ou de rentrer chez elle.
Les déclarations des chercheurs sur le danger des ions lourds pour l'organisme des astronautes ne sont pas spéculatives, elles sont basées sur les données d'expériences d'accélérateur avec des animaux menées dans le Laboratoire de radiobiologie de l'Institut commun de recherche nucléaire (LRB JINR) en coopération avec l'Institut des problèmes biomédicaux de l'Académie russe des sciences (IMPB RAS), l'Institut de biochimie RAS (IBCh RAS) et en collaboration avec des biologistes de l'Agence spatiale nationale américaine (NASA).
Les ions lourds sont plus effrayants que les protons
Dans l'espace lointain - au-delà du champ magnétique terrestre - de dangereux rayonnements cosmiques émanant des profondeurs de la galaxie guettent l'homme.
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«Les rayons cosmiques galactiques sont des flux de particules élémentaires - des ions légers et lourds», explique Mikhail Panasyuk, directeur de l'Institut de recherche Skobeltsyn de physique nucléaire (SINP MSU). - Les atomes des rayons cosmiques sont dépourvus de couches d'électrons, en fait, ce sont des noyaux «nus». La raison en est l'interaction avec la matière dans le processus de leur transfert dans l'Univers. L'élément le plus courant des rayons cosmiques est l'hydrogène et ses ions sont des protons. Ces particules sont accélérées par les ondes de choc - les restes d'explosions de supernovae. Ces étoiles n'explosent pas plus d'une fois tous les 30 à 50 ans dans notre galaxie.
Le flux des particules de rayons cosmiques galactiques est constant, contrairement aux rayons cosmiques solaires, qui sont générés sur le Soleil ou dans le milieu interplanétaire lors des éruptions solaires. Pour cette raison, la contribution totale des rayons cosmiques solaires sur une longue période est insignifiante. Mais lors des éruptions solaires (pendant plusieurs heures, jours), le flux des rayons cosmiques solaires peut dépasser le flux des rayons cosmiques galactiques. De plus, les énergies des particules de rayons cosmiques solaires, en règle générale, sont inférieures à celles des particules de rayons cosmiques galactiques. Il y a aussi des rayons cosmiques extragalactiques entrant dans notre galaxie en provenance d'autres galaxies. Leur énergie est supérieure à celle des rayons cosmiques galactiques, mais les flux sont bien moindres. Les rayons cosmiques ont une vaste gamme d'énergie: de 106 (1 MeV) à 1021 eV (1 ZeV)."
Les spectromètres énergie-masse installés sur les satellites de recherche spatiale ont enregistré la composition des rayons cosmiques. Il s'est avéré qu'un peu moins d'un pour cent de toutes les particules de rayonnement galactique sont des ions lourds d'une énergie de 300 à 500 MeV / nucléon - les noyaux d'éléments chimiques lourds. La fraction des ions légers et lourds du rayonnement galactique contient la plupart des ions de carbone, d'oxygène et de fer - de ces éléments stables, des noyaux stellaires se forment à la suite de l'évolution des étoiles.
Les résultats des mesures des satellites spatiaux ont servi de base à d'autres calculs de modèle, qui ont montré qu'en dehors de la magnétosphère terrestre, environ 105 ions lourds tombent par centimètre carré de surface par an, et environ 160 particules avec une charge Z supérieure à 20. Cela signifie que lors d'un vol vers Mars en Chaque jour, un tel nombre tombera sur un centimètre carré de la surface du corps du cosmonaute.
Les ions lourds de l’espace sont si énergiques qu’ils «transpercent» la peau d’un vaisseau spatial moderne dans l’espace, comme des boulets de canon bombardant de la soie fine. Les scientifiques du laboratoire de radiobiologie de JINR ont découvert comment cela peut nuire à la santé des messagers de la Terre au cours d'un long voyage.
Vers Mars - au toucher?
«Nous avons réussi à comprendre pourquoi les mêmes doses de rayonnement différent (flux d'ions lourds, neutron, rayonnement gamma) provoquent des effets différents sur les cellules vivantes», explique Evgeny Krasavin, directeur du LRB JINR, membre correspondant RAS. - Il s'est avéré que les différences d'efficacité de l'action des différents rayonnements sont associées à la fois aux caractéristiques physiques du rayonnement et aux propriétés biologiques de la cellule vivante elle-même - sa capacité à réparer les dommages à l'ADN après l'irradiation. Dans des expériences avec des accélérateurs d'ions lourds, nous avons constaté que les dommages les plus graves à l'ADN se produisent sous l'influence d'ions lourds. La différence entre l'impact des rayons X (un faisceau de photons) et un faisceau d'ions lourds peut être imaginée comme ceci: tirer un petit coup d'un pistolet dans un mur est nocif par les rayons X,tirer un boulet de canon sur le même mur est la destruction d'un ion lourd. Les particules lourdes, possédant une masse importante, perdent beaucoup plus de leur énergie par unité de distance parcourue que leurs homologues plus légers. C'est pourquoi, en traversant la cellule, un ion lourd sur son chemin produit une grande destruction. Lorsqu'une particule lourde traverse le noyau de la cellule, des lésions de «type cluster» se forment avec de multiples ruptures de liaisons chimiques dans le fragment d'ADN. Ils provoquent divers types de lésions chromosomiques graves dans les noyaux des cellules. "Lorsqu'une particule lourde traverse le noyau de la cellule, des lésions de «type cluster» se forment avec de multiples ruptures de liaisons chimiques dans le fragment d'ADN. Ils provoquent divers types de lésions chromosomiques graves dans les noyaux des cellules. "Lorsqu'une particule lourde traverse le noyau de la cellule, une lésion de «type cluster» se forme avec de multiples ruptures de liaisons chimiques dans le fragment d'ADN. Ils provoquent divers types de lésions chromosomiques graves dans les noyaux des cellules."
En outre, la logique du raisonnement des scientifiques était la suivante. Les ions hydrogène (protons) d'une énergie de 200 - 300 MeV / nucléon ont le temps de parcourir un trajet de 11 cm de long dans l'eau avant une décélération complète Le corps humain est composé à 90% d'eau. En extrapolant ce résultat à un corps humain vivant, nous arrivons à la conclusion: même les ions légers sur leur chemin peuvent endommager des milliers de cellules de notre corps. Dans le cas d'ions lourds avec une charge de plus de 20, il faut s'attendre à un résultat encore plus déplorable pour la santé.
Quels organes humains peuvent être endommagés par les ions lourds galactiques les plus graves et potentiellement mortels?
- Si vous pensez à proliférer activement - à renouveler rapidement - les tissus corporels, tels que le sang ou la peau, alors leurs dommages dus aux propriétés naturelles se rétabliront rapidement, - explique le directeur de LRB JINR Yevgeny Krasavin. - Mais sur les tissus statiques - le système nerveux central, les yeux, qui n'ont pas la capacité naturelle de réparer rapidement les dommages, le flux constant d'ions lourds aura un effet néfaste en couches, provoquant une mort cellulaire régulière. Mais le système nerveux central et l'œil sont les «puces» de contrôle de notre corps.
Lors d'expériences sur des animaux à Dubna, un groupe de radiobiologistes dirigé par l'académicien de l'Académie russe des sciences Mikhail Ostrovsky a étudié les mécanismes de l'effet des ions lourds sur les structures de l'œil - le cristallin, la rétine et la cornée. Aux accélérateurs JINR, des souris et des solutions de cristallines (protéines) de leur lentille ont été irradiées avec des faisceaux de protons de 100 à 200 MeV.
«Le cristallin de l'œil des humains et des vertébrés est composé à 90% d'alpha, bêta et gamma-cristallines», a déclaré l'académicien Ostrovsky dans son discours lors d'une réunion du Bureau du Département de mathématiques physiques et mécanique de l'Académie russe des sciences. - Le contenu de ces protéines dans le cristallin est à peu près le même, mais ils diffèrent considérablement par leur structure et leur poids moléculaire. L'exposition au rayonnement ultraviolet ou au rayonnement peut provoquer une agrégation cristalline - l'apparition de fibres opaques dans la lentille. À la suite de l'agrégation, de grands conglomérats de diffusion de la lumière se forment, ce qui conduit à une opacification du cristallin, c'est-à-dire au développement de cataractes. En passant à travers le cristallin de l'œil, même des ions lourds simples après un certain temps peuvent le rendre trouble.
Retournez sur Terre en tant qu'Homo sapiens
Le moins de tous les radiobiologistes ont étudié les effets néfastes des ions lourds sur le système nerveux central. Selon les experts de la NASA, lors d'une mission sur Mars, de 2 à 13% des cellules nerveuses seront traversées par au moins un ion fer. Et un proton volera à travers le noyau de chaque cellule du corps tous les trois jours. Par conséquent, il existe un risque sérieux de violations irréversibles des réactions comportementales de l'équipage du navire. Cela met en péril la mission globale. Le cerveau est un instrument très délicat, et la perturbation de petites parties de celui-ci peut entraîner la perte du fonctionnement de tout le corps, comme c'est le cas chez les personnes qui ont eu un accident vasculaire cérébral ou chez celles qui ont la maladie d'Alzheimer.
Au laboratoire de rayonnement spatial de la NASA à Brookhaven, à l'aide d'un faisceau d'ions de fer accéléré à une énergie de 1 GeV / nucléon, le rayonnement galactique a été simulé sur le pré-accélérateur d'ions lourds du collisionneur RHIC du Brookhaven National Laboratory. L'expérience du rat a été appelée le "test cognitif". Une petite zone solide a été placée dans une piscine ronde sous une fine couche d'eau opaque. Des rats de laboratoire, d'abord sains puis irradiés avec des faisceaux d'ions de fer, ont été lancés dans cette piscine et ont surveillé la rapidité avec laquelle les animaux pouvaient trouver cette zone et y grimper. Des rats en bonne santé ont rapidement trouvé le site et se sont dirigés vers lui par le chemin le plus court. L'irradiation avec des ions lourds a considérablement modifié les fonctions cognitives (capacité d'apprentissage) des animaux. Un mois après l'irradiation, le comportement du rat a radicalement changé. Elle a bouclépendant un long moment, elle fit le tour de la piscine, jusqu'à ce qu'elle parvienne presque accidentellement à sentir le sol solide sous ses pieds. Les capacités de réflexion de l'animal étaient gravement altérées. Aucun effet de ce type n'a été observé lorsque les rats ont été irradiés aux rayons X et aux rayons gamma.
Afin de représenter les conséquences possibles de l'irradiation du corps humain avec des ions lourds, il est nécessaire de «jouer» le modèle de l'aléa cosmique sur les primates, estiment les chercheurs. Néanmoins, les dommages révélés aux rongeurs par les effets du rayonnement galactique des ions lourds sont suffisamment convaincants pour ne pas y penser lors de la planification d'envoyer des personnes sur un long vol vers Mars.
Comment éviter les ennuis
D'après ce que les physiciens et les biologistes savent aujourd'hui, il s'ensuit que le risque de dommages causés par les radiations aux astronautes ne peut être réduit à zéro pendant plus d'un an de voyage vers Mars. Des méthodes pour réduire ce risque existent jusqu'à présent sous forme d'idées.
Première idée: planifier un vol vers Mars pendant le cycle solaire maximal. A ce moment, le flux des rayons cosmiques galactiques sera moindre du fait que le champ magnétique interplanétaire du système solaire fléchira les trajectoires des rayons cosmiques galactiques, cherchant à réduire l'intensité de leurs particules et "balayant" les particules avec des énergies inférieures à 400 MeV / nucléon du système solaire.
La deuxième idée: réduire considérablement les doses de rayonnement du rayonnement galactique au moyen d'une protection fiable du navire et fournir dans la conception du navire un compartiment-abri spécial avec une protection plus puissante contre les puissants courants de vent solaire imprévisible. De nouveaux types de matériaux de protection sont déjà en cours de développement qui deviendraient plus efficaces que l'aluminium actuellement utilisé, par exemple les plastiques contenant de l'hydrogène comme le polyéthylène. Avec leur aide, il est possible de créer une protection capable de réduire la dose de rayonnement de 30 à 35% sur une épaisseur de 7 cm. Certes, cela ne suffit pas, pensent les scientifiques, l'épaisseur de la couche protectrice doit être augmentée. Et si cela ne fonctionne pas, réduisez considérablement la durée du vol - par exemple, au moins à 100 jours. Cent jours est un chiffre jusqu'ici justifié intuitivement. Mais dans tous les cas, vous devez voler plus vite.
Troisième idée: fournir aux pilotes du vaisseau spatial martien des médicaments anti-radiations efficaces qui pourraient considérablement renforcer les liens entre les protéines d'ADN, réduisant ainsi leur vulnérabilité au bombardement d'ions lourds.
La quatrième idée: créer un champ magnétique artificiel autour de l'engin spatial, similaire au champ magnétique terrestre. Il existe un projet d'aimant toroïdal supraconducteur, à l'intérieur et à l'extérieur duquel le champ s'approche de zéro, pour ne pas nuire à la santé des astronautes. Le champ puissant d'un tel aimant devrait détourner une grande partie des protons et noyaux cosmiques du vaisseau spatial et réduire la dose de rayonnement de 3 à 4 fois pendant l'expédition vers Mars. Le prototype d'un tel aimant a déjà été créé et sera utilisé dans une expérience d'étude des rayons cosmiques à bord de la Station spatiale internationale.
Pourtant, tant que les idées de protection de l'équipage martien n'auront pas trouvé leur incarnation, il n'y a qu'une seule issue, disent les radiobiologistes: mener des études radiobiologiques détaillées en conditions terrestres sur des accélérateurs d'ions lourds, ce qui, en conditions terrestres, permettra de simuler l'effet néfaste des noyaux lourds de haute énergie émanant des profondeurs de la galaxie. Parmi ces accélérateurs uniques figurent le Nuclotron du Laboratoire de physique des hautes énergies JINR et le complexe de collisionneurs NICA en cours de création. Les scientifiques placent de grands espoirs sur les capacités de ces installations.
Et si nous sommes pressés de voler vers Mars, il est temps soit de construire des vaisseaux spatiaux plus rapides, soit de quitter pour le moment les rêves de vols habités dans l'espace lointain. Laissez les robots voyager pour le moment.
