ГЛАВА II Осторожно: космос!

Радиация

Для человека в космосе значительную опасность представляет радиация. Защита от нее требуется сразу же, как только останутся позади окружающие Землю атмосфера и магнитные поля. Радиационное излучение в космосе - это поток заряженных и незаряженных частиц и электромагнитного излучения. Такие же условия существуют на Луне, лишенной атмосферы и магнитного поля. В космическом полете наиболее опасна ионизирующая радиация, к которой относятся рентгеновские лучи и гамма-излучение Солнца, частицы, образующиеся во время солнечных (хромосферных) вспышек, солнечный ветер, солнечные, галактические и внегалактические космические лучи, электроны и протоны радиационных поясов, нейтроны и альфа-частицы. К неионизирующей радиации относится инфракрасное и ультрафиолетовое излучения Солнца, видимый свет и электромагнитное излучение радиочастотного диапазона. Эти виды излучения не представляют большой опасности для космонавта, так как сквозь обшивку космического корабля или оболочку скафандра они не проникают.

Рис. 19. При космическом излучении частицы с высокой энергией, проникающей в ткани тела и теряя свою энергию, ионизируют атомы вдоль пути пробега и таким образом разрушают клетки ткани. На микрофотографии показан след частицы с атомным номером Z=24+2 [титан, ванадий, хром, марганец или железо]

Ионизирующая радиация оказывает вредное воздействие на протекающие в клетках человеческого организма жизненные процессы. При прохождении частиц высокой энергии, или фотонов, через вещество на их пути в результате взаимодействия с атомами вещества образуются пары заряженных частиц - ионы. Отсюда и название - ионизирующая радиация. Типичный путь (трек) прохождения через вещество тяжелой ионизирующей частицы (атомный номер Z = 24+2) первичного космического излучения представлен на помещенной выше микрофотографии. На биологическом объекте действие ионизирующей радиации сказывается в значительно большей степени, чем на неживом веществе. Живая ткань представляет собой организацию высокоспециализированных клеток, которые постоянно обновляются. Их обновление - процесс динамический. Неживые объекты, например камни, являются малоизменяющимися конструкциями из кирпичиков-молекул, как правило, нечувствительных даже к весьма большим дозам ионизирующей радиации. В противоположность этому у живых организмов чувствительность к воздействию ионизирующей радиации тем больше, чем выше уровень их эволюционного развития (см. диаграмму). Особенно чувствительны к радиации клетки кроветворных тканей и костного мозга.

Рис. 20. Устойчивость организмов к действию радиации тем меньше, чем выше уровень их эволюционного развития

Механизм радиационных поражений весьма разнообразен и до конца не ясен. Очевидно, часть радиационных поражений связана с механическим повреждением (разрывом) важных в биологическом отношении молекулярных структур, таких, например, как хромосомы, а часть - со сложными химическими процессами. Первоначально незаряженные осколки молекул превращаются в высокоактивные радикалы, такие, как ОН, НО₂ и Н. Они могут рекомбинироваться в H₂O₂ или вступать в реакцию с органическими веществами клетки, нарушая клеточный метаболизм.

Рис. 21. Значительные дозы радиации могут наносить ущерб клеткам, вызывая разрывы генов в хромосомах [1], замедляя синтез АДФ [аденозинтрифосфата], необходимого для осуществления энергетических процессов [2], либо разрушая клеточные мембраны или увеличивая их проницаемость, вследствие чего нарушается внутриклеточное биохимическое равновесие [3]

Таким образом, вероятно, можно сказать, что радиационное поражение клеток происходит как в результате непосредственного повреждения молекул биологически важных веществ (например, дезоксирибонуклеиновой кислоты), так и вследствие вторичных химических реакций внутри ядра и протоплазмы. Схема радиационного поражения клетки представлена на рисунке, приведенном на рис. 21.

Радиация оказывает влияние и на воспроизводительные функции организма, нередко вызывая изменение в генетическом аппарате. О том, в каких формах это может проявляться, выдвинуто немало предположений. По-видимому, существует реальная опасность мутаций в результате изменений в хромосомном аппарате. В зависимости от поглощенной дозы излучения может наступить и бесплодие.

Ценные материалы дает изучение генетических поражений, вызванных радиацией, у животных; однако результаты этих исследований, проводимых главным образом в лабораторных условиях, нельзя переносить на человека, тем более что в условиях космического пространства возникают еще и синергетические эффекты. В лаборатории в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико) проводилось облучение каждого из 25 последовательных поколений мышей-самцов, доза облучения в 6000 раз превышала обычный для земных условий радиационный фон. В результате этого эксперимента было установлено сокращение числа особей в каждом помете, увеличение числа мертворожденных и случаев рождения особей с водянкой головного мозга; снизилась и выносливость потомства по отношению к стрессовым физическим нагрузкам. На советском искусственном спутнике Земли 'Космос-110' был проведен длительный медико-биологический эксперимент на двух собаках (самцах, которые находились в условиях орбитального полета в течение 22 дней. После этого у собак обнаружили от 30 до 70% аномальных сперматозоидов, в то время как у контрольных животных количество таких сперматозоидов составило 10-15%. Однако, несмотря на это, собаки, побывавшие в космосе, дали здоровое потомство. Мы имеем мало данных относительно уровней ионизирующей радиации, которой может подвергнуться космический корабль. Все они основываются на результатах экспериментов, полученных во время непродолжительных орбитальных полетов вокруг Земли. Поэтому установить требования к защите от радиации при продолжительных и дальних космических полетах необычайно трудно. Тем не менее, на основании медико-биологических исследований и предполагаемых уровней радиации, существующих в космосе, были определены предельно допустимые дозы радиации для космонавтов, участвующих в выполнении программы 'Аполлон'. Эти предельно допустимые дозы составляют 980 бэр для ступней ног, лодыжек (голеностопных суставов) и кистей рук, 700 бэр для кожного покрова (всего тела), 200 бэр для кроветворных органов и 200 бэр для глаз. Результаты экспериментов на растениях и других биологических объектах, которые проводились на американском спутнике для биологических исследований космического пространства 'Биос-2', запущенном 7 сентября 1967 года, показали, что в условиях невесомости влияние радиации усиливается (синергизм). Если эти данные подтвердятся, то опасность космической радиации для человека, вероятно, окажется большей, чем предполагалось первоначально. Вероятно, она будет более губительна для молодых быстро делящихся клеток или для активных половых клеток. После определения эффекта от совместного воздействия невесомости и радиации на дрозофил (плодовых мушек), мучных жучков, ос, оранжевую хлебную плесень и другие биологические объекты, имевшиеся в капсуле 'Биос-2', ученые пришли к выводу, что в условиях космоса живой организм более чувствителен к радиации, чем на Земле.

Лучший способ ослабить ионизирующую радиацию - это поглотить ее энергию при прохождении через толщу какого-либо вещества. Поэтому проблема защиты космонавта от радиации сводится к изысканию наиболее эффективного экранирующего материала, при этом не следует забывать о требованиях минимального веса. Идеальная защита от радиации должна иметь эффективную плотность земной атмосферы, то есть 1000 г/см², и такое же магнитное поле, как вокруг земного шара в районе экватора. Для создания эквивалентной защиты от радиации в космосе потребовался бы слой воды толщиной около 10 м или свинцовый экран толщиной около 1 м. Насколько сложна проблема защиты от радиации, видно из графика. На нем показано, какие дозы (в относительных единицах) получат космонавты внутри космического корабля при облучении ионизирующими частицами нескольких видов (первичные протоны, вторичные протоны и нейтроны) в случае использования защитного алюминиевого экрана различной толщины.

Увеличение веса экранов не поможет решить проблему, так как при прохождении электронов высоких энергий через металлы генерируется рентгеновское излучение (явление, известное как 'тормозное излучение'). Когда корабль проходит через магнитные пояса, в нем возникают мощные потоки вторичной радиации. Другого рода вторичная радиация (потоки мезонов, каскадных и испарительных нейтронов, а также протонов отдачи) возникает в результате ядерных взаимодействий в экранирующем материале. Все эти виды вторичной радиации представляют потенциальную опасность для космонавтов. Если эта опасность велика, для защиты от вторичной радиации в будущих космических кораблях придется делать внутренние экраны. Может быть, вокруг космического корабля будут создаваться искусственные магнитные поля, которые защитят корабль подобно тому, как Землю защищают окружающие ее магнитные пояса.

Рис. 22. Захваченные протоны из состава космических лучей и солнечные протоны поясов Ван Аллена вызывают в космическом корабле вторичную радиацию, дозы которой зависят от толщины алюминиевой обшивки в гипотетическом космическом корабле

Корпус корабля 'Аполлон', сделанный в основном из алюминия, нержавеющей стали и фенольно-эпоксидных смол, создает экран плотностью 7,5 г/см₂. Такого экрана достаточно для защиты трех космонавтов от обычной солнечной радиации. Самая мощная из зарегистрированных до сих пор солнечных вспышек создала бы для космонавтов внутри этого корабля дозу облучения всего лишь в 70 mrad. Лунный же модуль корабля 'Аполлон' имеет экран плотностью всего лишь 1,5 г/см₂, который для защиты космонавтов от таких солнечных вспышек недостаточен. В настоящее время ведутся большие работы по изысканию фармакологических средств защиты человека от облучения. Среди множества исследуемых препаратов можно назвать цистамин, цистеин, глутатион и аминоэтилизотиуроний. Однако применение этих препаратов в силу ряда причин не дает особенно эффективных результатов. Дело в том, что, во-первых, большинство экспериментов проводилось на животных и в наземных условиях, а во-вторых, такие препараты необходимо вводить в организм человека до начала облучения. Кроме того, существует проблема токсичности этих препаратов. К тому же с помощью фармакологических средств можно обеспечить человеку защиту от рентгеновских лучей и гамма-излучения, но не от сильного ионизирующего излучения альфа-частиц, протонов и быстрых нейтронов.

Следует отметить, что дозы облучения на Луне, вероятно, невелики, но, чтобы не подвергать космонавтов риску облучения во время экспедиций на Луну, необходимы тщательные расчеты по предсказанию солнечных вспышек.

Далее:

Для определения меры действия излучения пользуются понятием поглощенной дозы излучения - это энергия любого вида излучения, поглощенная единицей массы облучаемого вещества. Для всех ионизирующих излучений поглощенная доза измеряется в радах (rad): 1 rad составляет 100 эрг энергии, поглощенной 1 г вещества.- Прим. ред.

Бэр - биологический эквивалент рентгена. В бэрах измеряется биологическая доза излучения - величина, определяющая биологическое воздействие излучения на организм. Доза в 1 бэр любого ионизирующего излучения вызывает биологический эффект, аналогичный эффекту от воздействия 1 rad рентгеновского излучения, поглощенного той же тканью. - Прим. ред.