Atklājumi.lv

Astronautiem tālajās misijās draud miega problēmas un starojuma izraisīta smadzeņu degradācija

Lai NASA varētu īstenot savus plānus pēc 10-20 gadiem nosūtīt cilvēkus tālākās kosmiskās ekspedīcijās, nepieciešams atrisināt virkni drošības jautājumu. Viena galvenajām problēmām ir aizsardzība pret kosmisko starojumu - līdzās jau iepriekš zināmajiem radiācijas apdraudējumiem kosmosa ceļotājiem, atbilstoši jauna pētījuma rezultātiem, jārēķinās arī ar paātrinātas Alcheimera slimības attīstības risku. Ne mazāk nopietni izrādās var būt miega un nomodas cikla traucējumi. Par tiem vēstī par Mars-500 projektā iegūtajiem rezultātiem janvāra sākumā publicēts raksts.

Kosmiskais starojums paātrina Alcheimera slimības attīstību

Lidojot kosmosā, dzīvo būtņu galvenais apdraudējums ir jonizētais kosmiskais starojums, kas pamatā sastāv no divu veidu daļiņām - augsta enerģijas līmeņa ūdeņraža kodoliem (protoniem), kas nāk no Saules (Saules vējš un uzliesmojumi) un salīdzinoši zemas, bet pastāvīgas intensitātes galaktiskās kosmiskās radiācijas (GKR). GKR sastāv no dažādām, augsti enerģizētām atomu sastāvdaļām - protoniem, elektroniem un atomu kodoliem kuri, pārvietojoties tuvu gaismas ātrumam, pazaudējuši visus elektronus. GKR galvenokārt rodas pārnovu sprādzienu rezultātā, taču, iespējams, to veidojošās daļiņas nāk arī no citiem avotiem  - izteiktas idejas par galaktikas centru, citām galaktikām, kvazāriem u.c. Aptuveni 85% no GKR sastāv no ūdeņraža kodoliem, 14% veido hēlija kodoli un 1% visu pārējo elementu. Tomēr tieši šis 1% jonu ar lādiņu, kas lielāks par +2 un milzīgu, miljardos elektronvoltu GeV (1) mērāmu enerģijas līmeni (salīdzinoši, gaisa molekulu enerģija istabas temperatūrā ir 0.0385 eV) sastāda vislielāko risku cilvēku un citu dzīvo būtņu veselībai. Angliski šos jonus apzīmē ar abreviatūru HZE, kas ir salikums no H (high - "augsts"), Z (atomskaitlis) un E (enerģija).

Jonizētā kosmiskā starojuma ietekme uz cilvēka organismu ir tāda pati, kā, piemēram, lielas dozas Rentgena aparāta vai radioaktīvu vielu starojumam - tas rada DNS bojājumus, sintezē agresīvi oksidējošus skābekļa savienojumus un izsauc šūnu bojāeju, kas ilgākā termiņā izraisa dažādas saslimšanas.

Tā kā Zemi no kosmiskā starojuma aizsargā tās magnētiskais lauks un atmosfēra, pirmie cilvēki, kas tieši saskārās ar intensīvu jonizējošu daļiņu plūsmu bija Apollo 11 misijas astronauti, kuri 1968.gada jūlijā lidojuma laikā uz Mēnesi pieredzēja redzes problēmas - ar pārtraukumiem parādošos baltas gaismas uzplaiksnījumus redzes laukā. Astronauti uzplaiksnījumus redzēja arī ar aizvērtām acīm. Vēlāk NASA speciālisti noteica un laboratoriski pierādīja, ka šo uzliesmojumu iemesls bija kosmiskā starojuma joni, kas ietriecās acs tīklenes šūnās un izraisīja fotoelektrisku efektu.

Aizsardzībai pret HZE joniem pagaidām nav atrasts pieņemams risinājums. To varētu nodrošināt, piemēram, īpaši biezs kosmosa kuģa apvalks ar svina pildījumu, taču tādā gadījumā aparāts kļūtu tik smags, ka tā pacelšanai un paātrināšanai būtu nepieciešamas jauna veida raķetes un dzinēji, kuru izmaksas daudzkārt pārsniegtu patreizējās kosmosa programmu iespējas.

Līdz šim bija noskaidrots, ka kosmiskais starojums var izraisīt vēzi, kardiovaskulārās un muskuļu-skeleta problēmas. Šobrīd ASV NASA un citu valstu kosmiskās izpētes centri īpašu uzmanību pievērš GKR ietekmes uz centrālo nervu sistēmu izpētei.

Ņemot vērā iepriekšējos pētījumus, kuros jau bija noteikta smagāko un līdz ar to bīstamāko HZE jonu (kā viens no visbiežāk sastopajiem smagajiem joniem tiek uzskatīts dzelzs - 56F) ietekme uz centrālo nervu sistēmu un jo īpaši smadzenēm, izraisot neirālo iekaisumu, neiroģenēzes traucējumus un prāta spēju samazināšanos, tika izteikta iespējamība, ka kosmiskais starojums var veicināt neirodeģeneratīvo saslimšanu, tai skaitā Alcheimera slimības, attīstību. Alcheimera slimība, kā zināms skar līdz pat 45% indivīdu, kas vecāki par 85 gadiem.

Lai hipotēzi pārbaudītu, Ročesteras universitātes zinātnieki, sadarbībā ar Brukheivenas Nacionālo laboratoriju (ASV) veica pētījumu, kura rezultāti 2012.gada 31.decembrī publicēti tīmekļa akadēmiskajā žurnālā PloS ONE.

Pētījumā tika izmantotas ģenētiski modificētas peles (līnija APP/PS1), kurām ir izmainīta to gēnu ekspresija, kas palielina beta amiloīdu (Aβ) uzkrāšanos smadzenēs. Šis proteīns tiek uzlūkots kā viena no galvenajām Alcheimera slimības histopatoloģiskajām pazīmēm un to izmanto, lai noteiktu slimības smaguma pakāpi. Otra pazīme ir neironu iekaisums, kas ir pierādīts kā spēcīgs Aβ uzkrāšanos veicinošs faktors.

Apstarošanai ar dzelzs jonu kūli, kas bija paātrināts līdz 1 GeV/µ peles 3,5 mēnešu vecumā tika nogādātas Brukheivenu, kur tēviņi saņēma 10 cGy un 100 cGy radiācijas dozas, bet mātītes tikai 100 cGy. Kontrolgrupa tika ievietota apstarošanas kamerās, taču starojumu nesaņēma.

Pēc apstarošanas peles nogādāja atpakaļ uz Ročesteru, kur tās palika līdz eitanāzijai. Tēviņus eitanizēja 9,5 mēnešu vecumā, bet mātītes, ņemot vērā atsevišķu peļu ātru nobeigšanos, jau 7 mēnešos.

Ar pelēm veica divus eksperimentus, lai noskaidrotu, kādu ietekmi galaktiskās kosmiskās radiācijas dzelzs joni atstājuši uz viņu atmiņu.

Pirmajā eksperimentā pētīja no hipokampa atkarīgo atmiņu. Izrādījās, ka tēviņu grupā bija vērojama statistiki nozīmīga atmiņas pasliktināšanās saistībā ar kontekstuālu baiļu atcerēšanos. Mātīšu grupā šī tendence bija neliela. Nevienam no dzimumiem apstarotajās grupās neatklāja kādas izmaiņas sastingšanas laika reakcijā uz jaunu vidi vai skaņas signālu.

Otrajā eksperimentā tika pētīta ar dažādiem smadzeņu apgabaliem saistīta jaunu objektu izziņa. Šeit abiem dzimumiem konstatēja ar radiāciju saistītu jaunā objekta izpētes laika samazināšanos.

Abilstoši izziņas spēju un atmiņas pasliktināšanās rādītājiem, kā bija sagaidāms, apstarotajām pelēm (tēviņu grupai), salīdzinot ar kontrolgrupu, noteica palielinātu Aβ proteīna - gan brīvās formas, gan ieslēgumu - apjomu smadzenēs. Tā kā mātīšu grupa tika eitanizēta ātrāk, to nevar salīdzināt ar tēviņiem. Turklāt ir zināms, ka mātītēm APP/PS1 modeļa grupā ir savādāka ieslēgumu veidošanās dinamika.

Kā noskaidroja ar papildu analīzēm, konstatētais, Alcheimera slimībai raksturīgo ieslēgumu pieaugums nesaistījās ar palielinātu Aβ priekšteča proteīna sintēzi vai tā pārstrādi Aβ, saikne neparādījās arī starp mikrogliju šūnu aktivitāti. Tas nozīmēja, ka iemesls ieslēgumu apjoma palielinājumam meklējams citur. Pētnieki nolēma pārbaudīt vai radiācija nav ietekmējusi smadzeņu-asiņu barjeru, kuras caurlaidības mazināšanās varētu palielināt Aβ daudzumu smadzenēs. Izrādījās, ka apstarotajiem peļu tēviņiem ir ievērojami palielināta smadzeņu-asiņu barjeru veidojošā endotēlija aktivitāte. Lai gan tiešus iekaisuma procesus pastiprinošos mehānismus zinātnieki neatrada, viņi norāda, ka tie varēja aktivizēties kādā brīdī pirms analīžu veikšanas vai arī noritēt ļoti nelielā apjomā, ko nav iespējams noteikt ar izmantotajām metodēm.

Eksperimentos un analīzēs noteiktās patoloģiskās izmaiņas, kuras pelēm radās saņemot radiācijas dozu, kas ir pielīdzināma tai, kādai tiktu pakļauti uz Marsu lidojoši astronauti, liek nopietni pievērsties šīs problēmas tālākai izpētei, secina zinātnieki. Rezultāti rada bažas, ka astronauti noteiktu laiku pēc atgriešanās no ekspedīcijas varētu sākt ciest no mentālo spēju pasliktināšanās. Protams, var pieļaut, ka izmaiņas, kuras radās pelēm bija saistītas ar to, ka tās visu ieplānoto radiācijas dozu saņēma īsā laika sprīdī. Iespējams, astronautu organisms, atbilstošu devu saņemot mazākām daļām visā ceļojuma laikā, varētu labāk tikt galā ar DNS un citu šūnu sastāvdaļu bojājumiem. Pētnieki norāda, ka būtu jāveic citi eksperimenti, gan izmantojot peles bez ģenētiskām izmaiņām (astronautu vidū visdrīzāk nebūs cilvēku ar ģenētisku noslieci uz Alcheimera slimības attīstību), gan arī pakļaujot dzīvniekus plašāka spektra radiācijai, kas pilnīgāk atveidotu dabīgos apstākļus kosmosa telpā. Tomēr viens jautājums ir atbildēts - eksponējot visu ķermeni radiācijā, kas sastāv no HZE 56Fe daļiņām, organismā tiek ierosināta ar Alcheimera slimību saistīto patoloģisko procesu attīstība.

Miega traucējumi var nelabvēlīgi ietekmēt astronautu komandas darbu

Ja eksperimenti ar cilvēkiem, izmantojot apstarošanu ar augsti enerģizētām daļiņām nav iespējami ētisku apsvērumu dēļ, tad pārbaudīt, kā astronauti ceļojumā uz Marsu pārcietīs ilgstošo izolāciju no ārpasaules, pierastā dienas-nakts ritma izmaiņas un kādas veidosies viņu kā komandas attiecības ir iespējams bez nopietna eksperimenta dalībnieku veselības apdraudējuma. Lai noskaidrotu šos jautājumus, Krievijas Zinātņu akadēmijas Biomedicīnas problēmu institūts, sadarbībā ar Eiropas Kosmosa aģentūru veica par Mars-500 nosauktu 520 dienu Marsa ekspedīcijas simulāciju, kuras laikā seši brīvprātīgie - trīs krievi, divi eiropieši un viens ķīnietis - atradās ieslēgti kosmosa kuģa nodalījumiem līdzīgā, 550 m2 lielā telpu blokā. Projekta Mars-500 ietvaros no 2010.g. jūnija līdz 2011.g. novembrim noritēja vairāk nekā 90 eksperimenti, kuros ievāca datus par dalībnieku psiholoģisko un medicīnisko stāvokli. Simulācija bija sadalīta 3 daļās: 250 dienu ceļojums uz Marsu, nosēšanās uz planētas un tās izpēte 30 dienas un atgriešanās uz Zemi 240 dienās.

Uzklikšķiniet uz attēla, lai aplūkotu pilnā izmērā.

Līdz ar Eiropas un Āzijas zinātniekiem, Mars-500 projektā piedalījās arī viena amerikāņu pētnieku komanda, kura pētīja komandas darba-atpūtas ritmus, veiktspēju un psiholoģiskās reakcijas, lai noskaidrotu bezmiega, noguruma, stresa, garastāvokļu izmaiņu un astronautu savstarpējo konfliktu biežumu, kādā šīs parādības varētu izpausties īsta lidojuma laikā.

Amerikāņu pētnieki tagad ir apstrādājuši savā pārziņā esošo eksperimentu rezultātus - raksts par rezultātiem publicēts žurnāla PNAS tīmekļa lapā 2013.gada 7.janvārī.

Kopumā pētījums rāda, ka kosmiskajā ekspedīcijā diennakts ritma un vides apstākļu krasas izmaiņas apstākļos radušies miega traucējumi var izraisīt neiroloģiskas cilmes izturēšanās un uzvedības problēmas, kuras, savukārt, var nelabvēlīgi ietekmēt kosmiskās ekspedīcijas gaitu un rezultātus.

Viens no komandas biedriem projekta laikā pilnīgi pazaudēja Zemes diennakts ritmu. 24 stundu cikla vietā viņam izveidojās 25 stundu cikls. Tādējādi, pēc 12 dienām viņa aktivitātes maksimums bija pilnīgi pretējs pārējai komandai. Kad viņam bija nakts vidus, pārējie atradās darba režīmā. Ritma izmaiņu dēļ šis dalībnieks kļuva daļēji izolēts no pārējiem. 20% no kopējā laika viņš bija vai nu vienīgais komandas biedrs nomodā jeb vienīgais, kas guļ.

Vairumam no komandas novēroja miega laika pieaugumu un ekspedīcijas laikā viņi kļuva arvien mazaktīvāki. Tomēr viens dalībnieks piedzīvoja pretējo - viņš gulēja arvien mazāk un mazāk, līdz sāka ciest no hroniska bezmiega. Reizi nedēļā komandai bija jāveic veiktspējas tests un visvairāk kļūdas tajā ielaida tieši bezmiega māktais biedrs.

Vēl vienam dalībniekam parādījās viegla depresija.

"Tikai divi cilvēki no sešiem labi tika galā ar ilgstošu norobežošanu no pasaules, kamēr sešiem bija problēmas, kuru esamība liktu izvērtēt viņu līdzdalības iespējamību īstā lidojumā," - teica viens no pētījuma vadošajiem autoriem, Pensilvānijas universitātes miega un hronobioloģijas profesors psihiatrijā Dr.Metjū Bāzners (Mathias Basner).

Tā kā problēmas parādījās divu līdz četru mēnešu laikā pēc projekta uzsākšanas, pētnieki secina, ka iespējamo starpplanētu ekspedīciju dalībnieku piemērotību lidojumam varētu pārbaudīt par Mars-500 norisi ievērojami īsākā eksperimenta laikā.

Kā ļoti būtiskus, nelabvēlīgus apstākļus dienas-nakts ritma saglabāšanā pētnieki norāda blāvo dienasgaismas spuldžu apgaismojumu Mars-500 simulētajās kosmosa kuģa telpās, kā arī apgaismojuma ieslēgšanas un izslēgšanas protokola neesamību. Ierīkotais apgaismojums bija par vāju īstas Zemes dienas gaismas atveidojumam. Savukārt gaismu pēc savām vajadzībām ieslēdza un izslēdza paši komandas dalībnieki.

Pētījuma rezultāti, saka Malāra Kosmiskās medicīnas centra direktora vietniece Dr.Ija Vaitlija (Iya Whiteley) varētu būt noderīgi arī maiņu darba organizēšanā uz Zemes.

Augšējā attēlā: Cilvēku ekspedīcija uz Marsa mākslinieka skatījumā. Attēls: NASA.

Piezīmes:

(1) Visenerģizētākā, ar detektoru līdz šim noteiktā kosmiskā stara enerģija ir 3 x 10^20 eV. Tas ir aptuveni 40 miljonu reižu vairāk (!) nekā lielākā ar daļiņu paātrinātāju protonam jebkad piešķirtā enerģija.

Avoti:

Jonathan D. Cherry, Bin Liu, Jeffrey L. Frost, Cynthia A. Lemere, Jacqueline P. Williams, John A. Olschowka, M. Kerry O’Banion. Galactic Cosmic Radiation Leads to Cognitive Impairment and Increased Aβ Plaque Accumulation in a Mouse Model of Alzheimer’s Disease. // PLoS ONE, 2012; 7 (12): e53275 DOI:10.1371/journal.pone.0053275

Mathias Basner, David F. Dinges, Daniel Mollicone, Adrian Ecker, Christopher W. Jones, Eric C. Hyder, Adrian Di Antonio, Igor Savelev, Kevin Kan, Namni Goel, Boris V. Morukov, and Jeffrey P. Sutton. Mars 520-d mission simulation reveals protracted crew hypokinesis and alterations of sleep duration and timing. // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; DOI:10.1073/pnas.1212646110

© Atklajumi.lv. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.