Houston, mamy problem. Ludzkość od lat marzy o kolonizacji kosmosu, snuje plany o podbojach nowych planet. Jednak okazuje się, że te plany są bardzo odległe i możliwe, że nie do zrealizowania, bo – jak tłumaczy dr Anna Fogtman z Europejskiej Agencji Kosmicznej – przebywanie w kosmosie jest niebezpieczne dla zdrowia. Na tyle niebezpieczne, że nie bez powodu od ponad 50 lat żaden człowiek nie stanął ponownie na Księżycu.
Od ostatniej misji Apollo w 1972 roku powierzchni Księżyca nie dotknęła żadna ludzka stopa. Jednak wkrótce może się to zmienić, bo NASA planuje wysłać astronautów z powrotem na Księżyc w ramach misji Artemis. Start misji Artemis 3, czyli pierwsze lądowanie na Księżycu z załogą od czasu Apollo, planowany jest na grudzień 2025.
Misje kosmiczne obarczone są ogromnym zagrożeniem dla zdrowia astronautów. I nie chodzi wyłącznie o kwestie radzenia sobie organizmu z brakiem grawitacji. Chodzi także o promieniowanie jonizujące, które w zwiększonych dawkach, a takie są właśnie w kosmosie, uszkadza DNA, tkanki i komórki, a w ostrych przypadkach może nawet doprowadzić nawet do śmierci. Ze względu na to promieniowanie astronauci są narażeni także na większe ryzyko zachorowania na nowotwór.
Zabezpieczeniem misji przed nadmiernym promieniowaniem zajmuje się dr Anna Fogtman z Europejskiej Agencji Kosmicznej, która podczas wydarzenia Woman in Tech Summit opowiedziała nam, jak przebywanie w kosmosie wpływa na ludzkie cało, dlaczego spacery kosmiczne są wyjątkowo niebezpieczne i pod jakim warunkiem każdy może zostać astronautą.
Kiedy skolonizujemy kosmos?
Środowisko kosmiczne nie jest naturalnym środowiskiem, w którym życie takie, jakie znamy na Ziemi, może trwać i się rozwijać. Wbrew donosom medialnym naszym celem badania kosmosu nie jest zamieszkanie i kolonizowanie żadnych planet. Trzeba do tego dobrych powodów, a ja takich nie widzę. Powinniśmy najpierw nauczyć się dbać o naszą własną planetę, a potem kolonizować inne. Tutaj mamy wszystko, co nam trzeba.
Ale jednak w kosmos latamy…
I latać będziemy coraz częściej, szczególnie jak już powstanie Gateway.
Czyli co takiego?
Wspólny projekt z NASA, kanadyjską i japońską agencją kosmiczną. Ma to być stacja orbitująca wokół Księżyca, a w praktyce baza wypadowa na powierzchnię Księżyca oraz w przyszłości – przynajmniej taki jest plan – na Marsa.
Kiedy to może nastąpić?
Trudno powiedzieć. Agencje mówią o latach 30. XXI w., jednak traktowałabym te deklaracje z pewną dozą niepewności, ponieważ jest jeszcze wiele kwestii do realizacji, zanim wyślemy ludzi na Marsa. Wiąże się to zarówno z pokonaniem przeszkód technologicznych w podtrzymaniu życia ludzkiego przez lata trwania misji, jak i przygotowaniem zadań naukowych dla astronautów. Misje kosmiczne są misjami badawczymi. Dlatego teraz skupiamy się na Księżycu, na którym nie byliśmy od ponad 50 lat, po to, aby przygotować się technologicznie i naukowo do wyzwań misji na Marsa.
Dlaczego tak długo zwlekaliśmy?
Lot na Księżyc to bardzo złożona misja obarczona wieloma zagrożeniami. Promieniowanie jonizujące to jedna z przeszkód mogących doprowadzić do zagrożenia lotu. Ale czynników, które wpływają negatywnie na ciało człowieka, albo też przeszkód technicznych jest bardzo dużo. Do tego trzeba dołożyć wyzwania finansowe. Aby przygotować się do stałej i zrównoważonej obecności człowieka na Księżycu, musieliśmy zdobyć doświadczenie w operacjach kosmicznych na niskiej orbicie okołoziemskiej. Oczywiście bazujemy na doświadczeniu zdobytym w programie Apollo, jednak potrzebujemy rozwiązań zrównoważonych, a ich dopracowanie zajęło kilka dekad. Teraz jesteśmy gotowi, aby powrócić na Księżyc.
Zajmujesz się badaniem tego, jak promieniowanie jonizujące wpływa na organizm człowieka.
Z danych, które zbieraliśmy przez wiele lat, w tym z wybuchów w Hiroszimie i Nagasaki czy też Czarnobylu i Fukushimie, wiemy, że promieniowanie jonizujące niszczy DNA, zwiększając ryzyko powstawania nowotworów. Mówimy tutaj o przeróżnych typach nowotworów: zarówno tych guzowatych, jak i nowotworów krwi. Ale nie są to jedyne konsekwencje. Promieniowanie jonizujące wpływa na degenerację tkanek, nawet tych kluczowych jak mięsień sercowy, który traci swoją funkcjonalność. Wpływa też na mózg, co może prowadzić do wczesnych objawów demencji czy neurodegeneracji.
Czyli można stwierdzić, że astronauci żyją krócej?
Nie mamy takich danych. Ale tylko z tego powodu, że na Księżyc leciało dosłownie kilkanaście osób i na dosyć krótki czas. Wśród tej małej grupy nie zaobserwowano istotnych statystycznie zmian. Jednak prawda jest taka, że przy takiej małej grupie osób trudno mówić o istotności statystycznej. Wszyscy obecni astronauci są w sile wieku i nie możemy stwierdzić, czy oni rzeczywiście będą żyli krócej. W przypadku astronautów, którzy latają na niską orbitę okołoziemską, ekspozycja – czyli wystawienie się – na promieniowanie jest na dużo niższym poziomie niż w głębokim kosmosie. Chroni ich magnetosfera ziemska.
Do czego można porównać promieniowanie w kosmosie?
Trudno jest porównać do tego, co na Ziemi. Tu doświadczamy zazwyczaj promieniowania, w którym jesteśmy wyeksponowani na jeden typ cząsteczki, np. promienie X czy gamma. Cząsteczki zazwyczaj są dostarczane do naszego ciała w niskich dawkach.
Oczywiście zdarzają się takie wydarzenia nuklearne jak wybuch bomby w Hiroszimie czy w Czarnobylu. Ale nadal jest to promieniowanie mało zróżnicowane pod względem cząsteczek i energii, które one ze sobą niosą. Natomiast w przestrzeni kosmicznej mamy do czynienia z całym zakresem różnych typów cząsteczek i energii. Od lekkich, jak fotony, do ciężkich jonów, takich jak żelazo, które posiadają bardzo duży ładunek, niosą ze sobą bardzo dużą energię i podróżują z prędkościami bliskimi prędkości światła. Tego nie doświadczamy na Ziemi.
Ale jednak jakaś ich część przedostaje się na Ziemię.
To prawda, niektóre ciężkie cząsteczki mają taką energię, że nawet magnetosfera ziemska nas przed nimi nie chroni, bo część z nich się przez nią przedostaje. Ciężkie jony dostają się przez obszary polarne do niższych warstw atmosfery, więc im częściej latamy za ocean przez te obszary, tym bardziej jesteśmy narażeni na ich negatywne działanie. Przy czym astronauci doświadczają większej ekspozycji na promieniowanie, szczególnie w czasie rozbłysków słonecznych podczas pobytu poza niską orbitą okołoziemską. Jest to poważne wyzwanie, żeby zabezpieczyć taką misję przed nadmiernym promieniowaniem. Na ten moment myślimy o dodatkowych osłonach.
Czym są te osłony? Dodatkowy skafander?
Dodatkowy skafander jest jednym z potencjalnych rozwiązań. Biorąc pod uwagę misje na Księżyc, myślimy o tym, żeby astronauci po zaobserwowaniu rozbłysku słonecznego, budowali sobie schron z materiałów, które będą znajdowały się na statku kosmicznym i w tym schronie będą czekali, aż zwiększone promieniowanie pochodzące od Słońca minie.
Ile to może trwać?
Od godzin do dni. Zależy to od wielu czynników. Zarówno uwarunkowanych fizyką samego zjawiska, jak i pozycją statku kosmicznego.
Gdy wybucha bomba atomowa, miejsce jest skażone radioaktywnie i nie można tam przebywać. W kosmosie też tak jest?
Nie, jest inaczej. Kiedy osoba lub obiekt są narażone na promieniowanie jonizujące, nie stają się radioaktywne. Oczywiście jest prawdopodobne, że bardzo energetyczne jony będą oddziaływały z materiałami na statku kosmicznym, powodując wtórne promieniowanie wewnątrz, czyli osłony statku i sprzęty na jego pokładzie staną się źródłem promieniowania wtórnego. Natomiast nie będziemy mieli do czynienia z taką sytuacją skażenia środowiska jak w przypadku Czarnobylu.
Jak przeciwdziałać skutkom promieniowania? Mamy już jakieś rozwiązania?
Jesteśmy w trakcie ich tworzenia. Idealnie byłoby zredukować spektrum promieniowania do poziomów, które mamy na Ziemi. Organizm ludzki potrafi sobie świetnie radzić z taką niską ekspozycją. Pracujemy nad nowymi materiałami osłonowymi bogatymi w wodór, które będą lepiej chroniły astronautów i astronautki przed promieniowaniem jonizującym. Śledzimy też najnowsze doniesienia naukowe, szukamy środków farmakologicznych, które np. w postaci tabletek będzie się przyjmowało przed lub po ekspozycji na promieniowanie jonizujące. Mogłyby one pomóc organizmowi zwalczyć uszkodzenia DNA i zapobiec wystąpieniu poważnych konsekwencji.
A jak sprawdzacie, jakie będą to konsekwencje?
Mówiąc o konsekwencjach zdrowotnych, trochę gdybam, bo opieram całą wiedzę na badaniach, które wykonuje się na Ziemi. A przecież już rozmawiałyśmy o tym, że to nie są te same typy ekspozycji, których doświadczamy w kosmosie. W ESA wspieramy badania naukowe, które dostarczają jak najwięcej informacji o tym, jak ekspozycja na ciężkie jony wpłynie na ciało człowieka, żeby potem matematycznie móc przewidywać te konsekwencje zdrowotne.
Jak takie badania wyglądają na Ziemi?
Odbywają się w akceleratorach.
Czyli w CERN?
Nie, akcelerator cząstek w CERN dostarcza zbyt wysokich energii jak na potrzeby lotów w kosmos. My współpracujemy z akceleratorem GSI w Darmstadt, który potrafi produkować wysokoenergetyczne jony. Na torze wiązki stawiane są specjalne ekrany, które reagują z ciężkimi jonami, stając się źródłem wtórnego promieniowania, czyli takiego, jakie znajduje się wewnątrz statku kosmicznego. To pozwala nam na jeszcze dokładniejszą symulację promieniowania jonizującego, którego doświadczać będą astronauci w locie na Księżyc i Marsa. I w takim środowisku badamy, jak próbki biologiczne będą reagowały na warunki promieniowania.
Co to za próbki biologiczne?
Tkanki pochodzące z różnych organów w postaci kultur komórkowych lub tzw. organoidów, czyli grup komórek zorganizowanych w struktury komórkowe podobnych do tych, jakie są w organach. W akceleratorach badane są także żywe zwierzęta, takie jak szczury czy myszy.
Pomóc w badaniach ma też stacja Gateway orbitująca wokół Księżyca. Jak to będzie wyglądało?
Na Gateway będzie można wysyłać próbki biologiczne i umieszczać je zarówno w laboratorium wewnątrz stacji, jak i na jej zewnętrznej platformie. Tam nieosłonięte próbki będą wyeksponowane na promieniowanie kosmiczne. Zarówno wewnętrzne, jak i zewnętrzne platformy będą dostarczały cennych danych o wpływie promieniowania kosmicznego na systemy biologiczne.
A kosmonauci wykonujący tzw. spacery kosmiczne nie są bardzo narażeni na to promieniowanie?
Spacer jest jednym z najbardziej ryzykownych elementów lotu kosmicznego. Osoby podczas spaceru kosmicznego nie są osłonięte przed promieniowaniem w kosmosie. Na szczęście taki spacer nie trwa dłużej niż 6-8 godzin, więc przy sprzyjającej "pogodzie kosmicznej" taki spacer jest w miarę bezpieczny. A raczej zagrożenie pochodzące z promieniowania kosmicznego nie jest większe niż inne technologiczne przeszkody podczas takiego spaceru. W przypadku niesprzyjającej pogody, np. podczas rozbłysków na Słońcu, takie spacery nie są wykonywane.
Skoro spacery kosmiczne są niebezpieczne, dlaczego astronauci je odbywają?
Spacery kosmiczne, czyli wyjście poza stację kosmiczną, są nieuniknione. Czasami na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej astronauci wychodzą na zewnątrz, żeby dokonać jakiejś naprawy bądź instalacji nowych paneli słonecznych czy urządzeń pomiarowych. Tak samo będzie przy budowie stacji Gateway. Astronauci będą wychodzić, żeby asystować przy dołączaniu kolejnych modułów i instalacjach urządzeń.
A na Księżycu też będą wychodzić?
Na powierzchnię Księżyca astronauci też będą wychodzić, bo taki jest cel tych misji – eksploracja powierzchni Księżyca. Lecą tam, żeby zebrać próbki skał, zrobić zdjęcia powierzchni, wykonać doświadczenia naukowe, rozłożyć urządzenia do monitorowania środowiska. I zarówno podczas spaceru kosmicznego – czy to na powierzchni planety, czy wokół stacji – astronauci i astronautki narażeni są na zwiększone dawki promieniowania jonizującego, ponieważ nie są oni chronieni przez osłony.
Napromieniowanie to ogromne zagrożenie, ale w kosmosie nawet zwykła infekcja może mieć poważne skutki.
Owszem. To, z czym nasze organizmy na Ziemi łatwo sobie radzą, bywa problematyczne w kosmosie. Układ immunologiczny jest obciążony podczas lotu kosmicznego i wpływa na to stan nieważkości. Z powodu rozregulowanego układu odpornościowego pojawiają się często wysypki skórne i alergie, a także stosunkowo częste nawroty widocznej opryszczki. Jest to jedna z przyczyn, dla których astronauci przed wylotem w kosmos są w ścisłej kwarantannie przez ok. 2 tygodnie.
Również ładunek, jaki wysyła się na stację kosmiczną, jest przygotowany tak, aby nie dostarczać na stację nowych mikrobów. Na stacji nie ma naturalnej mikroflory i te mikroorganizmy, które na Ziemi żyją w pewnej homeostazie, na stacji kosmicznej mogłyby okazać się inwazyjne i potencjalnie zagrozić żywym organizmom, czyli ludziom i zwierzętom. Dlatego na stacji kosmicznej regularnie robi się tzw. wymazy z powierzchni, które się bada na obecność grzybów i bakterii. To pozwala kontrolować ryzyko epidemiczne.
Jak często wysyłane są zwierzęta?
Bardzo regularnie. Jednak szczegółowy plan lotów zwierząt ze względów etycznych jest owiany tajemnicą. Jak często wysyłane są w kosmos, można skorelować z częstością lotów statków kosmicznych zapewniających odpowiednie warunki do przewozu żywych organizmów. Te latają przynajmniej 2-3 razy w roku. Badania nad zwierzętami dotyczą przede wszystkim Amerykanów – Europa zwierząt na Międzynarodową Stację Kosmiczną nie wysyła. Zazwyczaj, kiedy wykonywane są badania z udziałem zwierząt, nie prowadzą transmisji z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, do której normalnie jest podgląd w sieci.
Jakie zwierzęta latają w kosmos? Łajki nadal w modzie?
Nie, Łajki już nie. Latają głównie gryzonie, czyli szczury i myszy. Jest to uwarunkowane przede wszystkim małym rozmiarem zwierząt, którym łatwiej jest zapewnić odpowiednie warunki do życia w tym trudnym środowisku. Te zwierzęta są także modelowymi zwierzętami w badaniach przeprowadzanych na Ziemi, co jest istotne przy porównywaniu wyników badań naukowych.
Wróćmy do ludzi. Powyżej ochronnego pola magnetycznego Ziemi wskutek promieniowania wzrasta ryzyko zachorowania na nowotwory. Ale w nieważkości ludzkie ciało też zachowuje się dziwnie. Ciało i jego komórki nie są w stanie rozpoznać, gdzie jest góra, a gdzie dół. Płyny ustrojowe przelewają się, odpowiedź układu immunologicznego słabnie. To normalne?
W niektórych podręcznikach do medycyny kosmicznej jest napisane, że ciało człowieka poddane grawitacji nie jest w jego naturalnym stanie. Uważa się, że naturalnym stanem dla ciała człowieka jest stan nieważkości, w którym ciało człowieka przyjmuje tzw. pozycję neutralną. Ciało układa się podobnie jak przy nurkowaniu. Ramiona zapadają się do środka, zgięte nogi w kolanach wyginają do tyłu, głowa i szyja są lekko wygięte do przodu. Taki stan ciało osiąga naturalnie, podczas gdy nie działają na nie żadne siły zewnętrzne. Inną znaczącą konsekwencją przebywania w stanie nieważkości jest przesunięcie ok. 2 litrów płynów z kończyn dolnych do górnej części ciała, co prowadzi między innymi do zwężenia obwodu łydek o kilka centymetrów, zmniejszenia ciśnienia krwi i zwiększenia ciśnienia śródczaszkowego. To przesunięcie płynów prowadzi do wielu fizjologicznych następstw, które są w większości adaptacyjne i cofają się po powrocie na Ziemię.
Czyli są nieszkodliwe?
Właśnie. Po okresie 2-6 tygodni w stanie nieważkości człowiek dochodzi do punktu tak zwanej "głębokiej adaptacji", w którym większość fizjologicznych procesów przeszła do stabilnego poziomu. Większość z tych zmian jest nieszkodliwa i ma za zadanie ułatwić człowiekowi funkcjonowanie w stanie nieważkości.
Z wyjątkiem jednej…
Oj, tak! Wyjątkiem są zmiany w gałce ocznej. To się nazywa z angielskiego SANS, czyli Spaceflight Associated Neuro-Ocular Syndrome. Po długotrwałym przebywaniu w stanie nieważkości pojawiają się różne plamki na oku, dochodzi do ubytków w widzeniu. Co ciekawe, częściej zdarza się to u mężczyzn i częściej po prawej stronie.
Wiadomo dlaczego?
Nie do końca. Warto jednak wspomnieć, że grupa przebadanych mężczyzn jest znacznie większa od kobiet, które były w kosmosie. Jednak jest to w miarę istotna obserwacja. Te zmiany uważa się za nieprzystosowawcze, czyli takie, które są szkodliwe i nie cofają się.
A reszta, czyli przelewanie płynów, wysokie ciśnienie śródczaszkowe? Te zmiany się cofają?
Nawet układ odpornościowy się regeneruje. Po powrocie na Ziemię większość zmian jest w odwrocie, ale każdy z tych układów ma swoją dynamikę powrotu do stanu sprzed lotu. Niewątpliwie jednym z najdłużej regenerujących systemów jest układ kostny.
Dlaczego?
Ponieważ w stanie nieważkości dochodzi do odwapnienia kości. W kościach, które na Ziemi są najbardziej obciążone, w tym pięty i biodra, ubytek jest największy. Może on wynosić nawet do 2 proc. objętości kości na miesiąc.
To chyba dużo? Co astronauci robią, żeby zapobiec łamaniu kości po powrocie na Ziemię?
Bardzo dużo ćwiczą, nawet do dwóch godzin dziennie podczas misji kosmicznej. Są to zarówno treningi aerobowe, jak i obciążeniowe. Nawet po tych krótkich misjach w czasach, kiedy jeszcze latały promy kosmiczne, zdarzało się, że astronauci amerykańscy nawet 18 miesięcy po przylocie na ziemię doznawali złamań, na przykład kości biodrowej. Wtedy niewiele wiedzieliśmy o tym, dlaczego się tak dzieje. Dzisiaj treningi fizyczne są tak dobrze dopracowane, że zdarza się, że astronautki i astronauci wracają z misji kosmicznych bardziej sprawni fizycznie, niż byli przed wylotem.
Spotykamy się na wydarzeniu Women in Tech Summit, więc muszę też zahaczyć o temat kobiet w kosmosie. Dlaczego branża kosmiczna jest tak zmaskulinizowana?
Pewnie z tego samego powodu, dla którego w zarządach spółek, a także uniwersytetów widzimy głównie facetów, mimo że większość osób studiujących to kobiety. Jeśli chodzi o branżę kosmiczną, w dawnych czasach preferowano osoby z zapleczem militarnym: pilotów, inżynierów, a tam mężczyźni całkowicie dominowali. Dzisiaj takie podejście już nie ma uzasadnienia, bo kobiet ze ścisłym wykształceniem, zwłaszcza w Europie, nie brakuje. Jednak zrównoważenie obu płci wymaga zmiany myślenia, a do tego jeszcze nam daleko.
Kobiety miesiączkują w kosmosie?
Tak, proces zachodzi naturalnie, nie ma przeciwwskazań fizjologicznych, dla których miałoby nie być menstruacji. Menstruacja w przestrzeni kosmicznej w stanie nieważkości nie jest żadną przeszkodą. Jednak zaleca się, żeby menstruację zatrzymywać poprzez branie antykoncepcji. Jedną z przyczyn, dla których zaleca się antykoncepcję, są niedostosowane do krwi menstruacyjnej toalety.
To znaczy?
Że mogą niepoprawnie funkcjonować po przyjęciu krwi menstruacyjnej. Krew menstruacyjna to tak naprawdę tkanka. W przypadku odpadów solidnych stosuje się inne rozwiązania techniczne i to jest przeszkodą. Nie za dużo się o tym jeszcze mówi w środowisku, ale rzeczywiście jest to temat warty uwagi. Szczególnie kwestia dostosowania urządzeń, które utylizują ludzkie odpady, bo nie wszystkie astronautki decydują się jednak na stosowanie antykoncepcji i sobie dobrze radzą w przestrzeni kosmicznej.
Ponoć kobiety w kosmosie sprawdzają się lepiej od mężczyzn. Ważą mniej, jedzą mniej, są wytrzymalsze. Rzeczywiście tak jest?
Czynnik mniejszych potrzeb kobiet na pewno jest istotny. Każdy kilogram masy, którą wynosimy w kosmos, ma swoje koszta, ale to nie jest jedyna cecha kobiet, która je predysponuje do lotów w kosmos. Nie ma jednak w badaniach naukowych wyraźnych przesłanek, aby twierdzić, że któraś płeć bardziej się nadaje. Według mnie najlepsze środowisko pracy jest zróżnicowane nie tylko w kwestii płci, ale też doświadczenia.
Ty jesteś z wykształcenia biolożką i też chciałaś dołączyć do grupy astronautów ESA.
Jasne, jak większość osób pracujących w Europejskiej Agencji Kosmicznej!
Znalazłaś się w wyselekcjonowanej z 23 tys. grupie 1500 osób. Do następnego etapu już nie przeszłaś. Co poszło nie tak?
Odpadłam na etapie, w którym testowano wiedzę matematyczną i fizyczną oraz psychomotorykę. Cały dzień trzeba było siedzieć przed komputerem i rozwiązywać testy. Zajęło to bite 8 godzin. Jeden z tych testów poszedł nie tak, jak trzeba i nie dostałam się dalej.
Ośmiogodzinne testy? Czyli nie mogę się dzisiaj spakować walizki i jutro polecieć w kosmos?
Z Europejską Agencją Kosmiczną nie, ale zawsze możesz kupić bilet u prywatnego operatora i z nim polecieć bez przygotowania. Np. Axiom współpracuje z Europejską Agencją Kosmiczną. My w ramach komercyjnej współpracy zabezpieczamy medycznie ich astronautów, którzy latają z nimi w prywatnych misjach.
Czekaj, astronautów? To każdy, kto leci w kosmos, jest astronautą?
Zdania są podzielone, ale na ogół uważa się w środowisku, że osoba, która leci w kosmos, może nazywać się astronautą.
Czyli wszyscy możemy zostać astronautami, jak mamy wystarczająco dużo pieniędzy?
Możemy, tylko po co?
* Anna Fogtman – pracuje w Zespole Medycyny Kosmicznej Europejskiego Centrum Astronautów i Europejskiej Agencji Kosmicznej. Zajmuje się m.in. planowaniem ochrony zdrowia astronautek i astronautów przed promieniowaniem kosmicznym w przyszłych misjach na Księżyc.
Zdjęcie główne: fot. NASA
DATA PUBLIKACJI: 25.07.2023
