Когда астронавтам впервые предстоит отправиться на Марс или куда-нибудь еще в глубоком космосе, им придется столкнуться с двумя проблемами, от которых нас защищает сама наша планета на своей поверхности – радиацией и невесомостью. Ученые уже знают, что оба могут оказать глубокое воздействие на организм человека, но насколько сильно одно из них и как долго может длиться это воздействие, остается загадкой. Новая статья исследователей из Медицинского колледжа Висконсина, опубликованная в PLoS One, затрагивает эти вопросы и, к сожалению, дает далеко не идеальные ответы с точки зрения долгосрочных последствий воздействия глубокого космоса.
На данный момент человечество еще не построило лабораторию по исследованию дальнего космоса, где можно было бы проводить эксперименты в реальной среде самого глубокого космоса. Поэтому в большинстве случаев исследователям приходится обходиться тем, что у них есть на местах. А поскольку проводить подобные эксперименты с долгосрочным воздействием на людях непрактично и неэтично, исследователи обратились к краеугольному камню биологических испытаний — крысам.
Чтобы имитировать невесомость у наземных крыс, НАСА разработало протокол под названием «разгрузка задних конечностей» (HLU). В этом конкретном эксперименте крысам среднего возраста, выбранным для имитации типичного возраста профессиональных астронавтов, в течение тридцати дней поднимали задние лапы над землей под углом 30 градусов с помощью специального ремня, прикрепленного к их хвосту. Этот наклон перемещает большую часть жидкостей тела к голове и снимает вес, по крайней мере, с нижней части тела, что максимально близко к имитации того, что происходит с астронавтами, когда они плавают в условиях микрогравитации.
Фрейзер рассказывает об одном из способов защиты астронавтов от радиации — с помощью магнитосферы.
Воссоздать радиацию сложнее и требует специального оборудования. К счастью, НАСА разработало именно такое оборудование. Лаборатория космической радиации НАСА в Брукхейвенской национальной лаборатории способна моделировать ту радиационную среду, которая постоянно бомбардирует Солнечную систему за пределами защитной оболочки земной атмосферы. Для этого конкретного эксперимента ученые использовали пятиионный шестилучевой симулятор космических лучей, получивший название «simGCRsim». Он поражает цель высокоскоростными протонами и тяжелыми ионами, такими как кремний и железо, которые потенциально могут пробиться сквозь защиту корпуса корабля, направляющегося на Марс.
В экспериментальном протоколе, описанном в статье, крыс «разгружали» в течение пяти дней, подвергали в течение нескольких минут экстремально высоким уровням радиации, чтобы имитировать многомесячное воздействие, а затем продолжали держать задние лапы подвешенными еще на 25 дней. После этого им разрешили прожить остаток жизни, при этом период наблюдения составил около года, что соответствует примерно 25 годам человеческой жизни.
В статье были описаны три основных вывода, но тот, который изначально был в центре внимания исследователя, касался сердца. При дозе 1,5 Грея (мера поглощенной дозы радиации) у крыс начал развиваться периваскулярный фиброз — тип рубцовой ткани, которая обертывает коронарные сосуды, питающие сердце кровью. Через 270 дней после радиационного воздействия размер рубцовой ткани увеличился вдвое, сжимая кровеносные сосуды до такой степени, что сердечный приступ стал гораздо более вероятным. Интересно, что симуляция невесомости практически не повлияла на этот результат — похоже, он был полностью вызван радиацией.
Дискуссия о том, чем потенциально опасны космические лучи. Кредит – канал Discovery UK на YouTube
Когда исследователи подвергли крыс более низкой дозе, которая больше соответствовала общему количеству радиационного облучения, которое астронавты получат в течение трехлетней миссии на Марс, они отметили, что рубцы на сердце не были видны сразу. Но через год после заражения он развился у 83% крыс. Это означает, что последствия радиации могут проявиться буквально через десятилетия человеческой жизни.
Еще одним тревожным открытием стало влияние протокола на иммунную систему крыс. Спустя несколько месяцев после заражения селезенка крысы все еще потеряла две трети клеток естественных киллеров (NK). Эти клетки уничтожают инфицированные вирусом клетки и, что особенно важно, раковые, поэтому длительное снижение их численности приводит к нарушению всей иммунной системы. Микрогравитация и радиация работали здесь в тандеме, создавая эти эффекты: крысы, которые подвергались только микрогравитации, в конечном итоге вернулись к нормальному клеточному уровню. Но если они также пострадали от радиации, восстановление было приглушенным – оказалось, что космические лучи задержали способность костного мозга реагировать на физиологический стресс.
Еще более плохие новости пришли, когда они секвенировали геномы лейкоцитов крысы. Через 235 дней после воздействия радиации исследователи отметили серию постоянных мутаций в ряде генов, некоторые из которых напрямую связаны с клональным гемопоэзом неопределенного потенциала (CHIP). На Земле ЧИП начинает появляться по мере старения, когда одна мутировавшая клетка крови начинает вытеснять своих соседей. Это может показаться не таким уж плохим, но именно эта мутировавшая клетка крови несет в себе повышенный риск лейкемии, а также в четыре раза увеличивает риск сердечных приступов и инсультов, поскольку они вызывают дополнительное воспаление стенок артерий. Воздействие радиации, по-видимому, ускорило время этих изменений, серьезно поставив под угрозу сердечно-сосудистую систему, гораздо быстрее, чем это типично для продолжительности жизни грызунов.
Как отмечают сами исследователи, у этого эксперимента есть некоторые ограничения. Важно отметить, что доза радиации была получена за один раз, а не в течение нескольких месяцев или лет. Неясно, смогут ли механизмы восстановления клеток справиться с их усилиями по борьбе с эффектами, замеченными у крыс, или будут ли долгосрочные эффекты накапливаться независимо от того, что будут делать механизмы восстановления. Кроме того, тот факт, что эксперимент проводился только на крысах-самцах, означает, что значительная часть потенциальной популяции астронавтов может отреагировать по-другому.
Но на данный момент все это не является особенно хорошей новостью для будущего долгосрочных космических полетов. Но это также, вероятно, не очень удивительно для биологов, изучающих эти эффекты. Мы знали, что выбраться за пределы защитной оболочки Земли будет непросто. Это исследование просто помогает количественно оценить типы проблем, с которыми нам в конечном итоге придется иметь дело.
Узнать больше:
М. Ленарчик и др. – Множественные смоделированные стрессоры космического полета влияют на сердечный фиброз, динамику кальция, иммунную функцию, цитокины и варианты генов у крыс Rattus norvegicus
UT – Уровень заболеваемости раком растет и падает из-за космических лучей
UT – Космические лучи: это не то, что мы думали
UT – Ученые исследуют биологические эффекты космического полета с помощью червей
