Даже если бы межпланетные полеты были реальностью, ученые все чаще говорят о том, что человеческий организм с чисто биологической точки зрения поджидают все больше опасностей. Одной из главных опасностей специалисты называют жесткое космическое радиационное излучение. На других планетах, например на том же Марсе, это излучение будет таким, что оно в разы ускорит наступление болезни Альцгеймера.
"Космическое излучение представляет собой очень значительную угрозу для будущих космонавтов. Возможность того, что космическое радиационное облучение может привести к возникновению проблем со здоровьем, таких как рак, уже давно признана", - говорит Керри О"Банион, доктор неврологии из Медицинского центра при Университете Рочестера. "Наши опыты также достоверно установили, что жесткое излучение также провоцирует ускорение изменений в головном мозге, связанных с болезнью Альцгеймера".
По словам ученых, все космическое пространство буквально пронизано радиационным излучением, тогда как толстая земная атмосфера защищает нашу планету от него. Влияние радиации на себе могут ощутить уже и участники кратковременных полетов на МКС, хотя формально они находятся на низкой орбите, где защитный купол земной гравитации еще работает. Особенно активно радиационное излучение работает в те моменты, когда на Солнце происходят вспышки с последующими выбросами радиационных частиц.
Ученые говорят, что уже сейчас в НАСА вплотную работает над различными подходами, связанными с защитой человека от космической радиации. Впервые космическое ведомство начало финансирование "радиационных исследований" еще 25 лет назад. Сейчас значительная часть инициатив в этой области связана с исследованиями на предмет того, как уберечь будущих марсонавтов от жесткой радиации на Красной планете, где нет такого же атмосферного купола, как на Земле.
Уже сейчас специалисты говорят с очень большой вероятностью о том, что марсианская радиация провоцирует онкологические заболевания. Еще большие объемы излучения есть вблизи астероидов. Напомним, что миссию на астероид с участием человека НАСА планирует на 2021 год, а на Марс - не позже 2035 года. Полет на Марс и обратно с некоторым пребыванием там может занять около трех лет.
Как рассказали в НАСА, сейчас доказано, что космическая радиация провоцирует, помимо рака, также заболевания сердечно-сосудистой системы, костно-мышечной и эндокринной. Сейчас же специалисты из Рочестера выявили и еще один вектор опасности: в рамках исследований было установлено, что высокие дозы космической радиации провоцируют заболевания связанные с нейродегенерацией, в частности активируют процессы, которые способствуют развитию болезни Альцгеймера. Также специалисты изучили то, как космическая радиация влияет на центральную нервную систему человека.
Специалисты на основании опытов установили, что радиоактивные частицы в космосе имеют в своей структуре ядра атомов железа, которые имеют феноменальную проникающую способность. Именно поэтому защититься от них удивительно трудно.
На Земле исследователи проводили симуляцию космической радиации в американской Брукхевенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, где находится специальный ускоритель элементарных частиц. В процессе экспериментов исследователи определили, сроки, в течение которых болезнь возникает и прогрессирует. Впрочем, пока исследователи проводили эксперименты на лабораторных мышах, подвергая их дозам радиации, сопоставимых с теми, что получили бы люди во время полета на Марс. После опытов практически все мыши получили нарушения в работе когнитивной системы головного мозга. Также были отмечены нарушения в работе сердечно-сосудистой системы. В головном мозге выявлены очаги накопления бета-амилоида - белка, который является верным признаком надвигающейся болезни Альцгеймера.
Ученые говорят, что они пока не знают, как побороть космическую радиацию, но они уверены, что радиация - это тот фактор, который заслуживает самого серьезного внимания при планировании будущих космических полетов.
Тамбовское областное государственное общеобразовательное учреждение
Общеобразовательная школа – интернат с первоначальной летной подготовкой
имени М. М. Расковой
Реферат
«Космическое излучение»
Выполнил: воспитанник 103 взвода
Краснослободцев Алексей
Руководитель: Пеливан В.С.
Тамбов 2008 г
1. Вступление.
2. Что такое космическое излучение.
3. Как возникает космическое излучение.
4. Воздействие космического излучения на человека и окружающую среду.
5. Средства защиты от космического излучения.
6. Образование Вселенной.
7. Заключение.
8. Библиография.
1. ВСТУПЛЕНИЕ
Человек не останется вечно на земле,
но в погоне за светом и пространством,
сначала робко проникнет за пределы
атмосферы, а затем завоюет себе всё
околосветное пространство.
К. Циолковский
XXI век – век нанотехнологий и гигантских скоростей. Наша жизнь течет беспрестанно и неминуемо, и каждый из нас стремится идти в ногу со временем. Проблемы, проблемы, поиски решений, огромный поток информации со всех сторон… Как со всем этим справиться, как найти свое место в жизни?
Попробуем остановиться и задуматься…
Психологи утверждают, что человек может бесконечно долго смотреть на три вещи: огонь, воду и звездное небо. Действительно, небо всегда привлекало человека. Оно удивительно красиво на восходе и закате солнца, оно кажется безгранично голубым и глубоким днем. И, глядя на пролетающие невесомые облака, наблюдая за полетами птиц, хочется оторваться от повседневной суеты, подняться в небо и почувствовать свободу полета. А звездное небо темной ночью… как оно загадочно и необъяснимо прекрасно! И как хочется приоткрыть завесу таинственности. В такие минуты ты ощущаешь себя маленькой частицей огромного, пугающего и все же непреодолимо манящего тебя пространства, которое носит название Вселенной.
Что такое Вселенная? Как она возникла? Что таит она в себе, что приготовила для нас: «всемирный разум» и ответы на многочисленные вопросы или гибель человечества?
Вопросы возникают нескончаемым потоком.
Космос… Для обычного человека он кажется недосягаемым. Но, тем не менее, воздействие его на человека постоянно. По большому счету именно космическое пространство обеспечило те условия на Земле, которые привели к зарождению привычной для нас с вами жизни, а значит и появлению самого человека. Влияние космоса в значительной степени ощутимо и сейчас. «Частицы вселенной» доходят до нас сквозь защитный слой атмосферы и оказывают воздействие на самочувствие человека, его здоровье, на те процессы, которые протекают в его организме. Это для нас, живущих на земле, а что говорить о тех, кто осваивает космическое пространство.
Меня заинтересовал такой вопрос: что такое космическое излучение и каково его влияние на человека?
Я учусь в школе-интернате с первоначальной летной подготовкой. К нам приходят мальчишки, которые мечтают покорить небо. И первый шаг к осуществлению своей мечты они уже сделали, оставив стены родного дома и решившись прийти в эту школу, где изучаются основы полетов, конструкции летательных аппаратов, где у них есть возможность каждый день общаться с людьми, неоднократно поднимавшимися в небо. И пусть это пока только самолеты, которые не могут в полной мере преодолеть земное притяжение. Но ведь это только первый шаг. Судьба и жизненный путь любого человека начинается с маленького, робкого, неуверенного шажка ребенка. Кто знает, может быть, кто-то из них сделает второй шаг, третий… и будет осваивать космические летательные аппараты и поднимется к звездам в безграничные просторы Вселенной.
Поэтому для нас этот вопрос достаточно актуален и интересен.
2. ЧТО ТАКОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?
Существование космических лучей было обнаружено в начале ХХ века. В 1912 г. австралийский физик В. Гесс, поднимаясь на воздушном шаре, заметил, что разрядка электроскопа на больших высотах происходит значительно быстрее, чем на уровне моря. Стало ясным, что ионизация воздуха, которая снимала разряд с электроскопа, имеет внеземное происхождение. Первым высказал это предположение Милликен, и именно он дал этому явлению современное название – космическое излучение.
В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1см 2 за 1с. Оно состоит из:
- протонов – 91%
- α-частиц – 6,6%
- ядер других более тяжелых элементов – менее 1%
- электронов – 1,5%
- рентгеновских и гамма–лучей космического происхождения
- солнечного излучения.
Первичные комические частицы, летящие из мирового пространства, взаимодействуют с ядрами атомов верхних слоев атмосферы и образуют так называемые вторичные космические лучи. Интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли приблизительно в 1,5 раза больше, чем на экваторе.
Среднее значение энергии космических частиц около 10 4 МэВ, а энергия отдельных частиц – 10 12 МэВ и более.
3. КАК ВОЗНИКАЕТ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?
По современным представлениям главным источником космического излучения высоких энергий являются взрывы сверхновых звезд. По данным, полученным с помощью принадлежащего NASA орбитального рентгеновского телескопа, были получены новые доказательства того, что значительный объем космического излучения, постоянно бомбардирующего Землю, произведен ударной волной, распространяющейся после взрыва сверхновой звезды, который был зарегистрирован еще в 1572 году. Судя по наблюдениям рентгеновской обсерватории «Чандра», останки сверхновой звезды продолжают разбегаться со скоростью более 10 миллионов км/ч, производя две ударные волны, сопровождаемые массированным выделением рентгеновского излучения. Причем, одна волна
движется наружу, в межзвездный газ, а вторая –
внутрь, к центру бывшей звезды. Можно также
утверждать, что значительная доля энергии
«внутренней» ударной волны уходит на ускорение атомных ядер до скоростей, близких к световым.
Частицы высоких энергий приходят к нам из других Галактик. Таких энергий они могут достигнуть, ускоряясь в неоднородных магнитных полях Вселенной.
Естественно, что источником космического излучения является и ближайшая к нам звезда – Солнце. Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и α-частиц, имеющих небольшую энергию.
4. ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА
И ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Результаты исследования, проведенного сотрудниками университета Софии Антиполис в Ницце, показывают, что космическое излучение сыграло важнейшую роль в зарождении биологической жизни на Земле. Давно известно, что аминокислоты способны существовать в двух формах – левосторонней и правосторонней. Однако на Земле в основе всех биологических организмов, развившихся естественным образом, находятся только левосторонние аминокислоты. По мнению сотрудников университета, причину следует искать в космосе. Так называемое циркулярно-поляризованное космическое излучение разрушило правосторонние аминокислоты. Циркулярно-поляризованный свет – это форма излучения, поляризуемая космическими электромагнитными полями. Такое излучение образуется, когда частицы межзвездной пыли выстраиваются вдоль линий магнитных полей, пронизывающих всё окружающее пространство. На циркулярно-поляризованный свет приходится 17% всего космического излучения в любой точке космоса. В зависимости от стороны поляризации такой свет избирательно расщепляет один из типов аминокислот, что подтверждается экспериментом и результатами исследования двух метеоритов.
Космическое излучение является одним из источников ионизирующего излучения на Земле.
Природный радиационный фон за счет космического излучения на уровне моря составляет 0,32 мЗв в год (3,4 мкР в час). Космическое излучение составляет лишь 1/6 часть годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением. Уровни радиационного излучения неодинаковы для различных областей. Так Северный и Южный полюсы более, чем экваториальная зона, подвержены воздействию космических лучей, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы. Кроме того, чем выше от поверхности земли, тем интенсивнее космическое излучение. Так, проживая в горных районах и постоянно пользуясь воздушным транспортом, мы подвергаемся дополнительному риску облучения. Люди, живущие выше 2000 м над уровнем моря, получают из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу в несколько раз больше, чем те, кто живет на уровне моря. При подъеме с высоты 4000 м (максимальная высота проживания людей) до 12000 м (максимальная высота полета пассажирского транспорта) уровень облучения возрастает в 25 раз. А за 7,5 часа полета на обычном турбовинтовом самолете полученная доза облучения составляет примерно 50 мкЗв. Всего за счет использования воздушного транспорта население Земли получает в год дозу облучения около 10000 чел-Зв, что составляет на душу населения в мире в среднем около 1 мкЗв в год, а в Северной Америке примерно 10 мкЗв.
Ионизирующее излучение отрицательно воздействует на здоровье человека, оно нарушает жизнедеятельность живых организмов:
· обладая большой проникающей способностью, разрушает наиболее интенсивно делящиеся клетки организма: костного мозга, пищеварительного тракта и т. д.
· вызывает изменения на генном уровне, что приводит в последствии к мутациям и возникновению наследственных заболеваний.
· вызывает интенсивное деление клеток злокачественных новообразований, что приводит к возникновению раковых заболеваний.
· приводит к изменениям в нервной системе и работе сердца.
· угнетается половая функция.
· вызывает нарушение зрения.
Радиация из космоса влияет даже на зрение авиапилотов. Были изучены состояния зрения 445 мужчин в возрасте около 50 лет, из которых 79 были пилотами авиалайнеров. Статистика показала, что для профессиональных пилотов риск развития катаракты ядра хрусталика втрое выше, чем для представителей иных профессий, а тем более для космонавтов.
Космическое излучение является одним из неблагоприятных факторов для организма космонавтов, значимость которого постоянно возрастает по мере увеличения дальности и продолжительности полетов. Когда человек оказывается за пределами атмосферы Земли, где бомбардировка галактическими лучами, а также солнечными космическими лучами намного сильнее: сквозь его тело за секунду может пронестись около 5 тысяч ионов, способных разрушить химические связи в организме и вызвать каскад вторичных частиц. Опасность радиационного воздействия ионизирующего излучения в низких дозах обусловлена увеличением рисков возникновения онкологических и наследственных заболеваний. Наибольшую опасность межгалактических лучей представляют тяжелые заряженные частицы.
На основании медико-биологических исследований и предполагаемых уровней радиации, существующих в космосе, были определены предельно допустимые дозы радиации для космонавтов. Они составляют 980 бэр для ступней ног, голеностопных суставов и кистей рук, 700 бэр для кожного покрова, 200 бэр для кроветворных органов и 200 бэр для глаз. Результаты экспериментов показали, что в условиях невесомости влияние радиации усиливается. Если эти данные подтвердятся, то опасность космической радиации для человека, вероятно, окажется большей, чем предполагалось первоначально.
Космические лучи способны оказывать влияние на погоду и климат Земли. Британские метеорологи доказали, что в периоды наибольшей активности космических лучей наблюдается пасмурная погода. Дело в том, что когда космические частицы врываются в атмосферу, они порождают широкие «ливни» заряженных и нейтральных частиц, которые могут провоцировать рост капелек в облаках и увеличение облачности.
По исследованиям Института солнечно-земной физики в настоящее время наблюдается аномальный всплеск солнечной активности, причины которого неизвестны. Солнечная вспышка – это выброс энергии, сравнимый с взрывом нескольких тысяч водородных бомб. При особо сильных вспышках электромагнитное излучение, достигая Земли, изменяет магнитное поле планеты – словно встряхивает его, что сказывается на самочувствии метеочувствительных людей. Таких, по данным Всемирной организации здравоохранения, 15% населения планеты. Также при высокой солнечной активности интенсивнее начинает размножаться микрофлора и увеличивается предрасположенность человека ко многим инфекционным заболеваниям. Так, эпидемии гриппа начинаются за 2,3 года до максимума солнечной активности или спустя 2,3 года – после.
Таким образом, мы видим, что даже небольшая часть космического излучения, которая доходит до нас сквозь атмосферу, может оказать заметное влияние на организм и здоровье человека, на процессы, протекающие в атмосфере. Одна из гипотез зарождения жизни на Земле, говорит о том, что космические частицы играют значительную роль в биологических и химических процессах на нашей планете.
5. СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Проблемы, связанные с проникновением
человека в космос, - своего рода пробный
камень зрелости нашей науки.
Академик Н. Сисакян.
Несмотря на то, что излучение Вселенной, возможно, и привело к зарождению жизни и появлению человека, для самого человека в чистом виде оно губительно.
Жизненное пространство человека ограничено совсем незначительными
расстояниями – это Земля и несколько километров над ее поверхностью. А далее – «враждебное» пространство.
Но, поскольку человек не оставляет попыток проникнуть в просторы Вселенной, а все более интенсивно их осваивает, то возникла необходимость создания определенных средств защиты от негативного влияния космоса. Особое значение это имеет для космонавтов.
Вопреки распространенному мнению, от атаки космических лучей нас защищает не магнитное поле Земли, а толстый слой атмосферы, где на каждый см 2 поверхности приходится килограмм воздуха. Поэтому, влетев в атмосферу, космический протон в среднем преодолевает лишь 1/14 ее высоты. Космонавты же лишены такой защитной оболочки.
Как показывают расчеты, свести риск радиационного поражения к нулю во время космического полета нельзя . Но можно его минимизировать. И здесь самое главное – пассивная защита космического корабля, т. е. его стенки.
Чтобы уменьшить риск дозовых нагрузок от солнечных
космических лучей
, их толщина должна быть для легких сплавов не менее 3-4 см. Альтернативой металлам могли бы выступить пластмассы. Например, полиэтилен, тот самый из которого сделаны обычные сумки-пакеты, задерживает на 20% больше космических лучей, чем алюминий. Усиленный полиэтилен в 10 раз прочнее алюминия и при этом легче «крылатого металла».
С защитой от галактических космических лучей , обладающих гигантскими энергиями, все гораздо сложнее. Предлагается несколько способов защиты от них космонавтов. Можно создать вокруг корабля слой защитного вещества подобного земной атмосфере. Например, если использовать воду, которая в любом случае необходима, то потребуется слой толщиной 5 м. При этом масса водного резервуара приблизится к 500 т, что очень много. Можно также использовать этилен – твердое вещество, для которого не нужны резервуары. Но даже тогда необходимая масса составила бы не менее 400 т. Можно использовать жидкий водород. Он блокирует космические лучи в 2,5 раза лучше, чем алюминий. Правда, ёмкости для топлива оказались бы громоздкими и тяжелыми.
Была предложена другая схема защиты человека на орбите , которую можно назвать магнитной схемой . На заряженную частицу, движущуюся поперек магнитного поля, действует сила, направленная перпендикулярно направлению движения (сила Лоренца). В зависимости от конфигурации линий поля частица может отклониться почти в любую сторону или выйти на круговую орбиту, где она будет вращаться бесконечно. Для создания такого поля потребуются магниты на основе сверхпроводимости. Такая система будет иметь массу 9 т, она гораздо более легкая, чем защита веществом, но всё равно тяжела.
Приверженцы еще одной идеи предлагают зарядить космический корабль электричеством , если напряжение внешней обшивки составит 2 10 9 В, то корабль сможет отразить все протоны космических лучей с энергиями до 2 ГэВ. Но электрическое поле при этом будет простираться до расстояния в десятки тысяч километров, и космический корабль будет стягивать к себе электроны из этого огромного объема. Они станут врезаться в обшивку с энергией 2 ГэВ и вести себя так же, как космические лучи.
«Одежда» для космических прогулок космонавтов вне пределов космического корабля должна представлять собой целую спасательную систему:
· должна создавать необходимую атмосферу для дыхания и поддержания давления;
· должна обеспечивать отвод тепла, выделяемого телом человека;
· она должна защищать от перегрева, если человек находится на солнечной стороне, и от охлаждения – если в тени; разница между ними составляет более 100 0 С;
· защищать от ослепления солнечной радиацией;
· защищать от метеорного вещества;
· должна позволять свободно перемещаться.
Разработка космического скафандра началась в 1959 году. Существует несколько модификаций скафандров, они постоянно изменяются и усовершенствуются, в основном за счет использования новых, более совершенных материалов.
Космический скафандр - это сложное и дорогостоящее устройство, и это легко понять, если ознакомиться с требованиями, предъявленными, например, к скафандру космонавтов корабля «Аполлон». Этот скафандр должен обеспечивать защиту космонавта от воздействия следующих факторов:
Строение полужесткого скафандра (для космоса)
Первый скафандр для выхода в открытый космос, который использовал А.Леонов, был жестким, неподатливым, весом около 100 кг, но современники его считали настоящим чудом техники и «машиной посложнее автомобиля».
Таким образом, все предложения по защите космонавтов от космических лучей не надежны.
6. ОБРАЗОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ
Если говорить честно, мы хотим не только узнать,
как устроена, но и по возможности достичь цели
утопической и дерзкой на вид – понять, почему
природа является именно такой. В этом состоит
прометеевский элемент научного творчества.
А. Эйнштейн.
Итак, космическое излучение приходит к нам из безграничных просторов Вселенной. А как же образовалась сама Вселенная?
Именно Эйнштейну принадлежит теорема, на основе которой были выдвинуты гипотезы ее возникновения. Существует несколько гипотез образования Вселенной. В современной космологии наиболее популярными являются две: теория Большого Взрыва и инфляционная.
Современные модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей.
Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 году. Он отбросил постулаты Ньютона об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответсвии с этой моделью мировое пространство однородно и изотропно, материя в нем распределена равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Время существования Вселенной бесконечно, а пространство безгранично, но конечно. Вселенная в космологической модели Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.
В 1922 году русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат о стационарности и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством. В 1927 году бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр на основе астрономических наблюдений ввел понятие начала Вселенной как сверхплотного состояния
и рождения Вселенной как Большого Взрыва. В 1929 году американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил, что все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10 -12 см, что
близко по размерам к радиусу электрона, а ее
плотность составляла 10 96 г/см 3 . От
первоначального состояния Вселенная перешла к расширению в результате большого взрыва . Ученик А. А. Фридмана Г. А. Гамов предположил, что температура вещества после взрыва была велика и падала с расширением Вселенной . Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур.
Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 10 12 градусов по Кельвину, плотность 10 14 г/см 3 . В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.
Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 10 10 градусов по Кельвину, плотность 10 4 г/см 3 . Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.
Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы – энергии Вселенной – приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10 10 до 3000 градусов по Кельвину, плотность – с 10 4 г/см 3 до 1021 г/см 3 . Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.
Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.
Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.
Еще одной гипотезой является инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10 -45 с после начала расширения.
В соответствии с этой гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов. Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10 -50 см (для сравнения: размер атома определяется как 10 -8 см, а размер атомного ядра 10-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10-45 с до 10 -30 с.
Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону . В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10 -34 с Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров (10 -33) до невообразимо больших (10 1000000) см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной – 10 28 см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.
Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые после аннигиляции дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.
Этап отделения вещества от излучения : оставшееся после аннигиляции вещество, стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон – это остаточное явление от первоначального излучения, возникшего после взрыва в момент начала образования Вселенной. В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур – атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, к возникновению жизни и как венца творения – человека.
Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого Взрыва касается только первоначального этапа порядка 10 -30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений нет. Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с мировоззренческими установками .
Первой стала проблема начала и конца времени существования Вселенной , признание которой противоречило материалистическим утверждениям о вечности, несотворимости и неуничтожимости и т. п. времени и пространства.
В 1965 году американскими физиками-теоретиками Пенроузом и С.Хокингом была доказана теорема, согласно которой в любой модели Вселенной с расширением обязательно должна быть сингулярность – обрыв линий времени в прошлом, что можно понимать как начало времени. Это же верно и для ситуации, когда расширение сменится на сжатие – тогда возникнет обрыв линий времени в будущем – конец времени. Причем точка начала сжатия интерпретируется как конец времени – Великий Сток, куда стекаются не только галактики, но и сами «события» всего прошлого Вселенной.
Вторая проблема связана с творением мира из ничего. У А.А.Фридмана математически момент начала расширения пространства выводится с нулевым объемом и в своей популярной книге «Мир как пространство и время», изданной в 1923 году, он говорит о возможности «сотворения мира из ничего». Попытку разрешить проблему возникновения всего из ничего предприняли в 80-ых годах американский физик А.Гут и советский физик А.Линде. Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, имеющие разные знаки. И тогда полная энергия Вселенной будет равна нулю.
Самая большая трудность для ученых возникает при объяснении причин космической эволюции. Можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.
Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. В данном случае эволюция описывается так: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Цели космической эволюции нет.
В рамках концепции креационизма, то есть творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальность более высокого порядка, чем материальный мир. Сторонники креационизма обращают внимание на существование направленного развития от простых систем к более сложным и информационно емким, в ходе которого создавались условия для возникновения жизни и человека. Существование той Вселенной, в которой мы живем, зависит от численных значений фундаментальных физических констант – постоянной Планка, постоянной гравитации и т. д. Численные значения этих постоянных определяют основные особенности Вселенной, размеры атомов, планет, звезд, плотность вещества и время жизни Вселенной. Отсюда делается вывод, что физическая структура Вселенной запрограммирована и направлена к появлению жизни. Конечная цель космической эволюции – появление человека во Вселенной в соответствие с замыслами Творца.
Другая нерешенная проблема – дальнейшая судьба Вселенной. Будет ли она продолжать расширяться бесконечно или этот процесс через некоторое время сменится обратным и начнется стадия сжатия? Выбор между этими сценариями можно сделать при наличии данных о полной массе вещества во Вселенной (или средней ее плотности), которых пока недостаточно.
Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и постепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет сжиматься в размерах и нагреваться.
Инфляционная модель предсказывала, что плотность энергии должна быть критической. Однако астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 г, говорили о том, что плотность энергии составляет приблизительно 30% от критической. Но открытия последних десятилетий позволили «найти» недостающую энергию. Было доказано, что вакуум обладает положительной энергией (которую называют темной энергией), и она равномерно распределена в пространстве (что еще раз доказывает, что в вакууме отсутствуют какие либо «невидимые» частицы).
Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем Вселенной значительно больше и они существенно зависят от того, какая теория, объясняющая скрытую энергию, является правильной. Но можно сказать однозначно, что наши потомки будут видеть окружающий мир совсем иным, чем мы с вами.
Существуют весьма обоснованные подозрения, что кроме видимых нами объектов во Вселенной существуют еще большее количество скрытых, но тоже обладающих массой, причем эта «темная масса» может в 10 или более раз превышать видимую.
Кратко характеристику Вселенной можно представить в таком виде.
Краткая Биография Вселенной
Возраст: 13,7 миллиардов лет
Размер наблюдаемой части Вселенной:
13,7 миллиардов световых лет, примерно 10 28 см
Средняя плотность вещества: 10 -29 г/см 3
Вес: более 10 50 тонн
Вес в момент рождения:
согласно теории Большого взрыва – бесконечный
согласно инфляционной теории – меньше миллиграмма
Температура Вселенной:
в момент взрыва – 10 27 К
современная – 2,7 К
|
|
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Собирая информацию о космическом излучении и его влиянии на окружающую среду, я убедился, что всё в мире взаимосвязано, всё течет и изменяется, и мы постоянно ощущаем на себе отголоски далекого прошлого, начиная с момента образования Вселенной.
Частицы, дошедшие до нас из других галактик, несут с собой информацию о далеких мирах. Эти «космические пришельцы» способны оказывать заметное влияние на природу и биологические процессы на нашей планете.
В космосе все другое: Земля и небо, закаты и рассветы, температура и давление, скорости и расстояния. Многое в нем нам кажется непостижимым.
Космос пока что нам не друг. Он противостоит человеку как чужая и враждебная сила, и каждый космонавт, отправляясь на орбиту, должен быть готов вступить в борьбу с ней. Это очень нелегко, и человек не всегда выходит победителем. Но чем дороже дается победа, тем она ценнее.
Влияние космического пространства оценить достаточно сложно, с одной стороны оно привело к возникновению жизни и, в конечном счете, создало самого человека, с другой мы вынуждены от него защищаться. В данном случае, очевидно, необходимо найти компромисс, и постараться не разрушить то хрупкое равновесие, которое существует в настоящее время.
Юрий Гагарин, впервые увидев Землю из космоса, воскликнул: « Какая же она маленькая!». Мы должны помнить эти слова и всеми силами беречь свою планету. Ведь даже в космос мы можем попасть только с Земли.
8. БИБЛИОГРАФИЯ.
1. Булдаков Л.А., Калистратова В.С. Радиоактивное излучение и здоровье, 2003.
2. Левитан Е.П. Астрономия. – М.: Просвещение, 1994.
3. Паркер Ю. Как защитить космических путешественников.// В мире науки. - 2006, №6.
4. Пригожин И.Н. Прошлое и будущее Вселенной. – М.: Знание, 1986.
5. Хокинг С. Краткая история времени от большого взрыва до черных дыр. – СПб: Амфора, 2001.
6. Энциклопедия для детей. Космонавтика. – М.: «Аванта+», 2004.
7. http:// www. rol. ru/ news/ misc/ spacenews/ 00/12/25. htm
8. http:// www. grani. ru/ Society/Sciense/m. 67908. html
Русский философ Н.Ф. Фёдоров (1828 - 1903) впервые заявил о том, что перед людьми лежит путь к освоению всего космического пространства как стратегического пути развития человечества. Он обратил внимание на то, что только такая безбрежная область способна привлечь к себе всю духовную энергию, все силы человечества, которые растрачиваются на взаимные трения или расходуются по пустякам. ... Его идея о переориентации промышленного и научного потенциала военно-промышленного комплекса на исследование и освоение космоса, в том числе и дальнего, способно кардинальным образом снизить военную опасность в мире. Для того, чтобы это произошло на практике, сначала это должно произойти в головах людей, в первую очередь принимающих глобальные решения. ...
На пути освоения космического пространства возникают различные сложности. Главным препятствием на первый план якобы выходит проблема радиации, вот перечень публикаций об этом:
29.01.2004 , газета «Труд», «Облучение на орбите»;
("И вот печальная статистика. Из 98 наших летавших космонавтов в живых нет уже восемнадцати, то есть каждого пятого. Из них четверо погибли при возвращении на Землю, Гагарин - в авиакатастрофе. Четверо умерли от рака (Анатолию Левченко было 47 лет, Владимиру Васютину - 50...).
")
2. За 254 дня полёта на Марс марсохода «Кьюриосити» доза облучения составила более 1 Зв , т.е. в среднем более 4 мЗв/день.
3. При полётах космонавтов вокруг Земли доза облучения составляет от 0,3 до 0,8 мЗв/день ()
4. С момента открытия радиации, её научного изучения и практического массового освоения промышленностью накоплен огромный , в том числе и по воздействию радиации на организм человека .
Чтобы связать заболевание космонавта с воздействием космической радиации нужно сравнивать между собой заболеваемость космонавтов, летавших в космос, с заболеваемостью космонавтов контрольной группы, которые в космосе не были.
5. В космической интернет энциклопедии www.astronaut.ru собрана вся информация по космонавтам, астронавтам и тайконавтам, летавшим в космос, а также кандидатах, отобранных для полётов, но не летавших в космос.
Пользуясь этими данными я составил сводную таблицу по СССР/России с персональными налётами, датами рождения и смерти, причинами смерти и др.
Обобщенные данные представлены в таблице:
| В базе
космической энциклопедии, человек |
Живут,
человек |
Умерли
от всех причин, человек |
Умерли
от рака, человек |
|
| Летали в космос | 116
,
из них 28 - с налетом до 15 дней, 45 - с налетом от 16 до 200 дней, 43 - с налетом от 201 до 802 дней |
87
(ср.возраст - 61 год) из них
|
29
(25%) ср.возраст - 61 год |
7
(6%), из них 3 - с налетом 1-2 дня, 3 - с налетом 16-81 дней 1 - с налётом 269 дней |
| Не летали в космос | 158 | 101
(ср.возраст - 63 года) из них
|
57
(36%)
ср.возраст - 59 лет |
11 (7%) |
Существенных и явных отличий между группой лиц, летавших в космос и контрольной группой не обнаруживается.
Из 116 человек СССР/России летавших в космос хотя бы единожды 67 человек имеет индивидуальный космический налет более 100 суток (максимально 803 суток), 3 человека из них умерли в 64, 68 и 69 лет. У одного из умерших был рак. Остальные на ноябрь 2013 года живы, включая 20 космонавтов с максимальными налётами (от 382 до 802 суток) с дозами (210 - 440 мЗв) при среднесуточной 0,55 мЗв. Что подтверждает радиационную безопасность длительных космических полетов.
6. Также много и других данных по здоровью людей, получивших повышенные дозы радиационного облучения в годы создания атомной отрасли в СССР. Так, «на ПО «Маяк»: «В 1950-1952 гг. мощности дозы внешнего гамма(излучения вблизи технологических аппаратов достигали 15-180 мР/ч. Годовые дозы внешнего облучения у 600 наблюдаемых работников завода составляли 1,4-1,9 Зв/год. В отдельных случаях максимальные годовые дозы внешнего облучения достигали 7-8 Зв/год. …
Из 2300 работников, перенесших хроническую лучевую болезнь, после 40-50 лет наблюдений в живых остается 1200 человек со средней суммарной дозой 2,6 Гр при среднем возрасте 75 лет. А из 1100 умерших (средняя доза 3,1 Гр) в структуре причин смерти заметно увеличение доли злокачественных опухолей, но и их средний возраст составил 65 лет.»
«Проблемы ядерного наследия и пути их решения.» — Под общей редакцией Е.В. Евстратова, А.М. Агапова, Н.П. Лаверова, Л.А. Большова, И.И. Линге. — 2012 г. — 356 с. — Т1. (скачать)
7. «… обширные исследования, охватившие около 100 000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в 1945 году, показали, что пока рак является единственной причиной повышения смертности в этой группе населения.
«Однако в то же самое время развитие рака под действием радиации не является специфическим, оно может вызываться также другими природными или техногенными факторами (курением, загрязнением воздуха, воды, продуктов химическими веществами и др.). Радиация лишь повышает риск, существующий без нее. Например, российские медики считают, что вклад нерационального питания в развитие раковых заболеваний составляет 35%, а курения — 31%. А вклад радиации, даже при серьезном облучении, не больше 10%».()
(ист. «Ликвидаторы. Радиологические последствия Чернобыля», В. Иванов, Москва, 2010 год (скачать)
8. «В современной медицине радиотерапия является, одним из трех ключевых методов лечения онкологических заболеваний (двумя другими являются химиотерапия и традиционная хирургия). При этом, если отталкиваться от тяжести побочных эффектов, лучевая терапия переносится гораздо легче. В особо тяжелых случаях пациенты могут получать очень высокую суммарную дозу - до 6 грей (при том, что доза порядка 7-8 грей является смертельной!). Но даже при такой огромной дозе, когда больной выздоравливает, он зачастую возвращается к полноценной жизни здорового человека - даже дети, рожденные бывшими пациентами клиник лучевой терапии, не обнаруживают никаких признаков врожденных генетических отклонений, связанных с облучением.
Если тщательно обдумать и взвесить факты, то такое явление, как радиофобия - иррациональный страх перед радиацией и всем, что с ней связано - становится совершенно нелогичным. Действительно: люди считают, что случилось нечто страшное, когда дисплей дозиметра показывает хотя бы двукратное превышение естественного фона - и в то же время с удовольствием ездят поправлять здоровье на радоновые источники, где фон может быть превышен в десять и более раз. Большие дозы ионизирующего излучения излечивают больных смертельными заболеваниями - и в то же время человек, случайно попавший в поле излучения, однозначно приписывает ухудшение своего здоровья (если такое ухудшение вообще произошло) действию радиации.» ("Радиация в медицине" , Ю.С.Коряковский, А.А. Акатов, Москва, 2009г.)
Статистика смертности говорит о том, что каждый третий житель Европы умирает от различного рода раковых заболеваний.
Одним из основных методов лечения злокачественных опухолей является лучевая терапия, которая необходима примерно для 70% онкологических больных, тогда как в России ее получают только около 25% нуждающихся. ()
На основе всех накопленных данных, можно смело утверждать: проблема радиации при освоении космоса сильно преувеличена и дорога к освоению космического пространства для человечества открыта.
P.S. Статья была опубликована в профессиональном журнале "Атомная стратегия" , а перед этим на сайте журнала была оценена рядом специалистов. Вот наиболее информативный комментарий полученный там: "Что такое космическое излучение. Это излучение Солнечное + Галактическое. Солнечное во много раз интенсивней Галактического, особенно в период солнечной активности. Именно оно определяет основную дозу. Его компонентный и энергетический состав – протоны (90%) и остальное менее существенное(электр., гамма,…). Энергия основной доли протонов- от кэВ до 80-90 МэВ. (Есть и высокоэнергетический хвост, но это уже доли проц.) Пробег 80 МэВ-ного протона ~7 (г/см^2) или около 2,5 см алюминия. Т.е. в стенке космического корабля толщиной 2,5-3 см они полностью поглощаются. Хотя протоны генерируют в ядерных реакциях на алюминии нейтроны, но эффективность генерации небольшая. Таким образом, мощность дозы за обшивкой корабля достаточно высокая (т.к. коэффициент конверсии поток-доза для протонов указанных энергий очень большой). А внутри уровень вполне приемлемый, хотя и повыше, чем на Земле. Вдумчивый и дотошный читатель сразу ехидно спросит – А как же в самолете. Ведь там мощность дозы намного выше, чем на Земле. Ответ – правильно. Объяснение простое. Высокоэнергетические солнечные и галактические протоны и ядра взаимодействую с ядрами атмосферы (реакции множественного рождения адронов), вызывают адронный каскад (ливень). Поэтому высотное распределение плотности потока ионизирующих частиц в атмосфере имеет максимум. То же самое и с электрон-фотонным ливнем. Адронный и e-g ливни развиваются и гасятся в атмосфере. Толщина атмосферы ~80-100 г/см^2 (эквивалентно 200 см бетона или 50 см железа.) А в обшивке вещества недостаточно для образования хорошего ливня. Отсюда кажущийся парадокс – чем больше толщина защиты корабля, тем выше мощность дозы внутри. Поэтому лучше тонкая защита, чем толстая. Но! 2-3 см защита обязательна (ослабляет дозу от протонов на порядок). Теперь по цифрам. На Марсе дозиметр Кьюриосити набрал около 1 Зв за почти год. Причина достаточно высокой дозы – дозиметр не имел тонкого защитного экрана, о котором говорилось выше. Но все таки, много или мало 1 Зв? Смертельно ли? Пара моих друзей ликвидаторов набрали каждый около 100 Р (разумеется по гамма, а в пересчете на адроны – где-то около 1 Зв). Чувствуют себя лучше, чем мы с вами. Не инвалиды. Официальный подход по нормативным документам. - С разрешения территориальных органов госсаннадзора можно за год получить планируемую дозу 0,2 Зв. (Т.е. сопоставимо с 1 Зв). А прогнозируемый уровень облучения, при которых необходимо срочное вмешательство – 1Гр на все тело(это поглощенная доза, приблизительно равная 1 Зв по эквивалентной дозе.) А на легкие - 6 Гр. Т.е. для получивших на все тело дозу менее 1 Зв и не требуется вмешательства. Так, что не так и страшно. Но лучше, конечно, такие дозы не получать. "
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
Текст, представленный ниже, нужно расценивать как личное мнение автора. Никакой секретной информацией (или доступом к ней) он не обладает. Всё, что изложено - это факты из открытых источников плюс немного здравого смысла («диванной аналитики», если угодно).
Научная фантастика - все эти бластеры и «пиу-пиу» в открытом космосе на крошечных одноместных истребителях - приучила человечество серьезно переоценивать доброжелательность Вселенной по отношению к теплым белковым организмам. Особенно сильно это проявляется, когда фантасты описывают путешествия к другим планетам. Увы, освоение «настоящего космоса» вместо привычных нам нескольких сотен «камэ» под защитой магнитного поля Земли будет более трудным предприятием, чем представлялось обывателю всего десятилетие назад.
Итак, вот мой главный тезис. Психологический климат и конфликты внутри экипажа далеко не главные проблемы, с которыми столкнется человек при организации пилотируемых полетов на Марс.
Главная проблема человека, путешествующего за пределы магнитосферы Земли - проблема с большой буквы «Р».
Что такое космическая радиация и почему мы не гибнем от нее на Земле
Ионизирующее излучение в космосе (за пределами нескольких сотен километров околоземельного пространства, которые человек действительно освоил) состоит из двух частей.
Излучение Солнца. Это, прежде всего, «солнечный ветер» - поток частиц, который постоянно «дует» во все стороны от светила и который чрезвычайно хорош для будущих космических парусников, потому что позволит им как следует разогнаться для путешествий за пределы Солнечной системы. Вот только для живых существ основная часть этого ветра не особо полезна. Замечательно, что нас от жесткой радиации защищают толстый слой атмосферы, ионосфера (та, где озоновые дыры), а еще мощное магнитное поле Земли.
Помимо ветра, который разлетается более-менее равномерно, наше светило еще периодически постреливает так называемыми солнечными вспышками. Последние представляют собой выбросы коронарного вещества Солнца. Они настолько серьезны, что время от времени приводят к проблемам у людей и техники даже на Земле, где самое веселье, повторюсь, недурственно экранируется.
Итак, у нас есть атмосфера и магнитное поле планеты. В уже довольно близком космосе, на расстоянии десятка-другого тысяч километров от Земли, солнечная вспышка (даже слабая, всего-то пара Хиросим), попав в корабль, гарантированно выведет его живую начинку из строя без малейших шансов на выживание. Помешать этому сегодня - при текущем уровне развития технологий и материалов - нам абсолютно нечем. По этой и только по этой причине многомесячное путешествие к Марсу человечеству придется отложить до времени, когда мы не решим эту проблему хотя бы частично. Также его придётся планировать в периоды наиболее спокойного солнца и много молиться всем техническим богам.
Космические лучи. Эти вездесущие злодейские штуки несут огромное количество энергии (больше, чем способен закачать в частицу БАК). Они приходят из других частей нашей галактики. Попадая в щит земной атмосферы, такой луч взаимодействует с ее атомами и расшибается на десятки менее энергичных частиц, которые каскадно порождают потоки еще менее энергичных (но тоже опасных) и в итоге все это великолепие проливается радиационным дождём на поверхность планеты. Примерно 15% от фонового излучения на Земле приходится на гостей из космоса. Чем выше ты живешь над уровнем моря, тем выше ловимая в течении жизни доза. И происходит это круглосуточно.
В качестве школьного упражнения попробуйте представить, что произойдёт с космическим кораблём и его «живой начинкой» в случае прямого попадании в них такого луча где-нибудь в открытом космосе. Лететь к Марсу, напомню, предстоит несколько месяцев, кораблик для этого предстоит строить здоровенный и вероятность описанного выше «контакта» (а то и не одного) достаточно велика. Просто пренебречь ею при длительных полетах с живым экипажем, увы, никак не получится.
Что ещё?
Помимо той радиации, что долетает до Земли от Солнца, есть ещё та солнечная радиация, которую магнитосфера планеты отталкивает, не пропускает внутрь и самое главное - накапливает*. Знакомьтесь, читатели. Это радиационный пояс Земли (РПЗ). Он же пояс Ван Аллена, как его называют за рубежом. Преодолеть его космонавтам предстоит что называется «на полных парах», чтобы не получить летальную дозу радиации всего за несколько часов. Повторный контакт с этим поясом - если мы вопреки здравому смыслу решим вернуть астронавтов с Марса на Землю - запросто может их добить.
*Значительная доля частиц пояса Ван Аллена приобретает опасную скорость уже в самом поясе. То есть он не только защищает нас от радиации извне, но еще и усиливает эту накопленную радиацию.
До сих пор речь шла об открытом космосе. Но не нужно забывать о том, что у Марса (в отличие от Земли) почти нет магнитного поля**, а атмосфера разрежённая и дохленькая, так что подвергаться воздействию этих негативных факторов люди будут не только в полёте.
**Ладно, немножко есть - в районе южного полюса.
Отсюда вывод. Жить будущим колонистам вероятнее всего предстоит не на поверхности планеты (как нам показывали в эпичном кино «Миссия на Марс»), а глубоко под ней.
Как быть?
Прежде всего, видимо, не питать иллюзий на скорое (в течение десятка-другого-третьего лет) разрешение всех этих проблем. Чтобы избежать гибели экипажа от лучевой болезни, нам придётся или вообще его туда не посылать и осваивать космос с помощью умных машин (кстати, не самое глупое решение), либо очень здорово поднапрячься, потому что, если я прав, то отправка людей на Марс с созданием там постоянной колонии - задача для одной страны (хоть США, хоть России, хоть Китая) в ближайшие полстолетия, а то и дольше совершенно неподъёмная. Один корабль для такой миссии обойдется в сумму, эквивалентную постройке и полному обслуживанию пары-тройки МКС (см. ниже).
И да, забыл сказать: пионеры Марса будут заведомо «смертниками», поскольку ни обратной дороги, ни долгой и комфортной жизни на Марсе обеспечить им в ближайшие полвека у нас, скорее всего, получится.
Как теоретически могла бы выглядеть миссия на Марс, имей мы для этого все ресурсы и технологии старушки-Земли? Сравните описанное ниже с тем, что вы видели в культовом фильме «Марсианин».
Миссия на Марс. Условно реалистичная версия
Во-первых, человечеству предстоит сильно напрячься и построить циклопических размеров космический корабль с мощной антирадиационной защитой, который сможет частично компенсировать адскую лучевую нагрузку на экипаж за пределами магнитного поля Земли и обеспечить доставку более-менее живых колонистов на Марс - в один конец.
Как может выглядеть такой корабль?
Это здоровенная махина в десятки (а лучше сотни) метров в поперечнике, обеспеченная собственным магнитным полем (сверхпроводящие электромагниты) и источниками энергии для его поддержания (атомные реакторы). Огромные размеры конструкции позволяют набить её изнутри поглощающими радиацию материалами (например, это может быть вспененный освинцованный пластик или герметичные контейнеры с простой либо «тяжелой» водой), которые десятилетиями (!) предстоит возить на орбиту и монтировать вокруг сравнительно крошечной капсулы жизнеобеспечения, куда потом мы поместим астронавтов.
Помимо размеров и дороговизны, марсианский корабль должен быть чертовски надежным и, главное, полностью автономным в плане управления. Чтобы доставить экипаж живым безопаснее всего будет погрузить его в искусственную кому и немного охладить (всего на пару-тройку градусов), чтобы замедлить метаболические процессы. В таком состоянии люди а) будут менее чувствительны к радиации, б) занимают меньше места и их дешевле экранировать от все той же радиации.
Очевидно, помимо корабля, нужен искусственный интеллект, способный уверенно доставить корабль на орбиту Марса, выгрузить колонистов на его поверхность, не повредив в процессе ни себя, ни груз, а потом ещё без участия людей вернуть астронавтов в сознание (уже на Марсе). Пока таких технологий у нас нет, но есть некоторая надежда, что подобный ИИ, а главное политические и экономические ресурсы для постройки описанного корабля, появятся у нас, допустим, ближе к середине столетия.
Хорошей новостью является то, что марсианский «паром» для колонистов вполне может быть многоразовым. Ему предстоит как челноку курсировать между Землёй и конечным пунктом, доставляя в колонию партии «живого груза» на замену выбывших «от естественных причин» людей. Для доставки «неживого» груза (еды, воды, воздуха и техники) противолучевая защита особо не нужна, так что марсианским грузовиком суперкорабль делать не обязательно. Он нужен исключительно для доставки колонистов и, возможно, семян растений / молоди сельскохозяйственных животных.
Во-вторых, нужно заранее забросить на Марс технику и запасы воды-еды-кислорода на экипаж из 6-12 человек на 12-15 лет (с учётом всех форс-мажоров). Это само по себе нетривиальная задачка, но допустим, что в ресурсах для ее решения мы не ограничены. Предположим, что войны и политические пертурбации Земли утихли, а на марсианскую миссию работает в едином порыве вся планета.
Забрасываемая на Марс техника, как вы уже должны догадаться, представляет собой полностью автономных роботов с искусственным интеллектом и питанием от компактных ядерных реакторов. Им предстоит методично в течение десятка-полутора лет отрыть сначала глубокий тоннель под поверхность красной планеты. Затем - ещё за несколько лет - небольшую сеть тоннелей, в которую предстоит втащить блоки жизнеобеспечения и запасы для будущей экспедиции, а потом все это герметично смонтировать в автономный подмарсианский поселок.
Метроподобное обиталище кажется оптимальным решением по двум причинам. Во-первых, оно экранирует космонавтов от космических лучей уже на самом Марсе. Во-вторых, из-за остаточной «марсотермальной» активности недр под поверхностью планеты на градус-другой теплее, чем снаружи. Это пригодится колонистам как для экономии энергии, так и для выращивания картошки на собственных фекалиях.
Уточним важный момент: строить колонию придётся в южном полушарии, где на планете ещё сохранилось остаточное магнитное поле.
Выходить на поверхность астронавтам в идеале не придётся вообще (Марс «вживую» они или не увидят совсем, или увидят один раз - при посадке). Всю работу на поверхности предстоит делать роботам, действиями которых колонистам предстоит руководить из своего бункера всю их недолгую жизнь (лет двадцать при удачном стечении обстоятельств).
В-третьих, надо поговорить о самом экипаже и методах его подбора.
Идеальной схемой последнего станет поиск по всей Земле… генетически идентичных (монозиготных) близнецов, один из которых только что превратился в донора органов (например, «удачно» попав в автокатастрофу). Звучит до крайности цинично, но пусть это не помешает вам дочитать текст до конца.
Что нам дает близнец-донор?
Погибший близнец даёт возможность своему брату (или сестре) стать идеальным колонистом на Марсе. Дело в том, что красный костный мозг первого, будучи доставлен на красную планету в дополнительно защищённом от радиации контейнере, можно будет перелить близнецу-астронавту. Тем самым повышаются шансы на выживание оного при лучевой болезни, остром лейкозе и других неприятностях, которые с колонистом весьма вероятно приключатся за годы миссии.
Итак, как выглядит процедура отсева будущих колонистов?
Отбираем несколько миллионов близнецов. Ждём, пока что-то происходит с одним из них, и делаем предложение оставшемуся. Набирается пул из, скажем, ста тысяч потенциальных кандидатов. Теперь внутри этого пула проводим итоговый отбор на психологическую совместимость и профпригодность.
Естественно, для расширения выборки отбирать астронавтов придётся по всей Земле, а не в одной или двух странах.
Ещё бы, конечно, здорово помогла некая технология выявления особо устойчивых к облучению кандидатов. Известно, что некоторая часть людей гораздо более устойчива к радиации, чем другая. Наверняка её можно выявить с помощью неких генетических маркеров. Если дополнить этим методом идею с близнецами, вместе они должны существенно повысить выживаемость марсианских колонистов.
Помимо этого, полезно было бы научиться переливать людям костный мозг в невесомости. Это не единственная штука, которую предстоит изобрести специально под этот проект, но, по счастью, время у нас ещё есть, а МКС пока что болтается на орбите Земли будто специально для отработки подобных технологий.
PS. Я должен специально оговориться, что принципиальным противником космических путешествий я не являюсь и верю, что рано или поздно «космос будет наш». Вопрос только в цене этого успеха, а также во времени, которое человечество затратит на отработку необходимых технологий. Мне кажется, под влиянием научной фантастики и массовой культуры многие из нас довольно беспечны в смысле понимания трудностей, которые на этом пути предстоит преодолеть. Чтобы несколько отрезвить эту часть «космооптимистов » и написан этот текст.
Во и частях я расскажу какие еще варианты у нас имеются в вопросе освоения космоса человеками в долгосрочной перспективе.