Exploration Radiation in Space เมื่อมนุษย์กับรังสีในอวกาศ เราจะกลายพันธ์ุไหม
Radiation in Space เมื่อมนุษย์กับรังสีในอวกาศ เราจะกลายพันธ์ุไหม

Chottiwatt Jittprasong

Radiation in Space เมื่อมนุษย์กับรังสีในอวกาศ เราจะกลายพันธ์ุไหม

March 14, 2020

ในทุกวันนี้ใต้ชั้น Ozone ในชั้นบรรยากาศ Stratosphere สิ่งมีชิวิตสามารถอยู่รอดจากรังสีอันตรายจากดวงอาทิตย์อย่างเช่น Ultraviolet ที่สามารถทำลายสายเกรียวคู่กรดนิวคลีอีกหรือ DNA double-strand ได้ แต่นอกชั้นบรรยากาศของโลกเหนือ Kármán line มีนักบินอวกาศอาศัยอยู่ใน ISS มีอะไรที่คอยปกป้องพวกเค้าอยู่ และถ้าไม่มี พวกเค้ารอดจากรังสีอันตรายที่ขนาดเราที่อยู่บนโลกยังได้รับผลกระทบจากรังสีอยู่แล้ว แล้วนักบินอวกาศจะไม่เป็นอะไรหรอ

อะไรทำให้ NASA หันมาค้นคว้าด้านนี้อย่างจริงจัง

ระหว่างภารกิจ Apollo 16 และ 17 เกิดพายุสุริยะในเดือน August ปี 1972 ระหว่าง solar cycle ที่ 20 sunspot ชื่อว่า McMath 11976 เกิด flare หรือการลุกจ้ามากกว่า 67 ครั้ง ภายในระยะเวลา 10 วัน ซึ่งมันดันหันมาทางโลกพอดี ในวันที่ 4 August เกิด flare ระดับ Extreme SPE (Extreme Solar Particle Event) ซึ่งเดินทางมาถึงใกล้สนามแม่เหล็กโลกทำให้เกิด Geomagnetic storm ในสนามแม่เหล็กโลก

ดาวเทียม Solrad 9 ที่อยู่ในวงโคจรขณะเกิด CME ของ McMath 11976 – ที่มา NASA

ดาวเทียม Solrad 9 ระบุว่าค่ารังสี X-ray อยู่ที่ประมาณ X5.3 แต่นั้นเป็นค่าสูงสุดที่ตัวดาวเทียมวัดได้ นักวิทยาศาสตร์คาดว่าน่าจะอยู่ที่ราว ๆ X20 ซึ่งถือว่าสูงที่สุดเท่าที่เคยสังเกตุการณ์มา อีกทั้งยังเกิด CME หรือ Coronal Mass Ejection ซึ่งเดินทางเข้ามาในเขตสนามแม่เหล็กโลกเต็ม ๆ กว่า 14.6 ชั่วโมง ซึ่งถือเป็นระยะเวลาที่สั้นมากเพราะ CME ดังกล่าวถูกยิงออกมาด้วยความเร็วที่สูงมาก

CME กับ Electromagnetic flare ในเดือน August 1972 นี่แทบจะพัง Magnetosphere หรือสนามแม่เหล็กโลกเกือบทั้งหมด พังการสื่อสาร (Communication blackout) เกือบทั้งหมดบนโลกชั่วคราว อีกทั้งยัง disrupt การทำงานของดาวเทียมหลาย ๆ ดวงในวงโคจรที่สูง ซึ่งทั้งหมดนี่เกิดครึ้งระหว่างรอยต่อของภารกิจ Apollo 16 และ 17 ซึ่ง Apollo 16 พึ่งจะกลับโลกได้เพียง 4 เดือน และ Apollo 17 กำลังจะออกเดินทางในอีก 4 เดือน แล้วถ้ามันเกิดระหว่างที่ Apollo อยู่นอก Van allen belt ซึ่งเป็นที่ ๆ รังสีจากนอกโลกถูก Magnetosphere หรือสนามแม่เหล็กโลกดับจับไว้จะเกิดอะไรขึ้น หรือแม้แต่หาก Solar flare กับ CME ครั้งนี้เกิดขึ้นระหว่างที่นักบิน Apollo กำลังทำ Moonwalk บนผิวดวงจันทร์จะเกิดอะไรขึ้น

Seahorse flare จาก Active Sunspot McMath 11976 ในวันที่ 4 August 1972 – ที่มา Big Bear Solar Observatory

นักวิทยาศาสตร์ให้คำตอบไว้ว่าหากพวกเค้าอยู่ในยาน Command module 90% ของรังสีจะถูกสะท้อนหรือป้องกันไว้ แต่อีก 10% นักบินอวกาศรับไปเต็ม ๆ ซึ่งสามารถทำให้เกิดอาการที้เรียกว่า Acute Radiaton Sickness (ARS) หรือการป่วยจากการโดนรังสีที่ high dose ในเวลาอันสั้น ซึ่งหากใครเคยดู miniseries Chernobyl ของ HBO จะรู้จักอาการ Acute Radiation Sickness ดี และถ้านักบิน Apollo โดนรังสีพวกนี้ในขณะที่ทำ Moonwalk พวกเข้าแทบจะได้รับสิ่งที่เรียกว่า Fatal dose หรือขนาดของรังสีที่ทำให้เสียชีวิตได้เข้าไปแทบจะทันที บอกได้เลยว่าชิบหายวายวอดทั้ง Mission Control ทั้งนักบินอวกาศแน่ ๆ

ภาพของ Coronal Mass Ejection ปี 2000 จากยาน SOHO – ที่มา NASA

นี่ทำให้ NASA ตระหนักถึงความสำคัญด้านการป้องกันรังสี หากมวลมนุษยชาติต้องการที่จะย้ายถื่นฐานไปดาวดวงอื่นอย่างเช่นดาวอังคารที่มีสนามแม่เหล็กน้อยกว่าโลกมาก ทำให้รังสีง่ายต่อการทะลุทะลวงชั้นบรรยากาศของดาวลงมา หรือแม้แต่ขณะกำลังเดินทาง จะทำอย่างไรไม่ให้ได้รับรังสีที่อันตรายพวกนี้เข้าไป

เพราะว่าอวกาศไม่ได้ว่างเปล่า

เพราะว่าอวกาศไม่ได้ว่างเปล่าแต่มีเธอ เอ้ย มีสิ่งที่เรียกว่า High-energy particles อยู่ สึ่งส่วนใหญ่มาจากลมสุริยะของดวงอาทิตย์นั้นเอง นอกจากนี้ยังมีอีกอย่างนึงที่คล้าย ๆ เมฆในอวกาศเรียกว่า CME หรือ Coronal Mass Ejection หรือก็คือลมสุริยะที่ระเบิดหลุดออกมาจากผิวของดวงอาทิตย์นั้นเอง ซึ่งใน CME จะมีเนื้อสารของดวงอาทิตย์ปนอยู่มากมายเรียกว่า Solar Energy Particle (SEP)

SEPs ส่วนใหญ่เป็น Photon ที่เดินทางด้วยความเร็วสูงมาก ๆ ส่วนใหญ่จะเดินทางถึงโลกภายในแค่ไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น (เร็วใช่ไหมล่าา) และเมื่อมันมาถึงโลกแน่นอนว่ามันจะต้องชนกับอะไรบางอย่าง ถ้ามันชนกับดาวเทียมมันก็จะส่งผ่านพลังงานให้ดาวเทียมตามกฎอนุรักษ์พลังงานและพลังงานเหล่านี้สูงมากจนเมื่อมันกระทบกับอะไรก็ตาม ส่วนใหญ่มันจะทะลุผ่านไปเลย (High penetration) แต่มันไม่ได้ทะลุไปเฉย ๆ นะสิ มันจะคอยส่งพลังงานให้กับวัตถุที่มันชนไปด้วย ถ้ามันผ่านดาวเทียมมันก็จะส่งพลังงานให้วงจรไฟฟ้าในดาวเทียมเกิดการ short circuit ถ้ามันผ่านมนุษย์มันก็จะตัด DNA double helix เราเป็นเสี่ยง ๆ แต่ส่วนใหญ่ร่างกายเราจะซ่อม DNA ด้วยตัวมันเองได้ แต่ก็ไม่ใช่ทั้งหมด เพิ่มความเสี่ยงในการเกิดโรคมะเร็ง

Magnetosphere ของโลกในสเกลจริง – ที่มา Andøya Space Center/Trond Abrahamsen

แต่บนโลกเราปลอดภัยจาก SEP ที่กล่าวมาข้างต้นเพราะเรามีเกราะพิเศษเรียกว่า Magnetosphere หรือสนามแม่เหล็กโลกซึ่งจะเหนี่ยวนำ SEP เหล่านี้ออกจากชั้นบรรยากาศโลกให้เข้ามาในชั้นบรรยากาศน้อยที่สุด ยังมีรังสีอีกอย่างนึงที่เรายังไม่ได้พูดถึงก็คือ Galatic cosmic rays ซึ่งเป็นรังสีที่มาจากนอกระบบสุริยะ เช่น จากดาวที่สิ้นอายุขัยแล้วเกิด Supernova ที่อื่นเดินทางมาด้วยความเร็วแสง แต่โดยปกติ Cosmic rays จะถูกตรวจจับได้แบบสม่ำเสมอในขณะที่ SEP แม่งปล่อยออกมามั่วไปหมด ทำให้ส่วนใหญ่ NASA สาารถหลีกเลี่ยง Cosmic ray ได้ แต่ไม่ใช่กับ SEP

ภาพจำลอง Solar magnetosphere สนามแม่เหล็กของระบบสุริยา – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab

แต่ในเมื่อโลกมี Magnetosphere ดวงอาทิตย์ก็มี Magnetosphere ของมันเช่นกัน แล้วเมื่อเอาสนามแม่เหล็กของแต่ละดาวเคราะห์รวมกับของดวงอาทิตย์ก็จะเป็น Magnetosphere ที่ใหญ่โคตร ๆ ช่วยป้องกัน Cosmic ray จากนอกระบบสุริยะได้ในระดับนึงแต่ก็ยังสามารถหลุดเข้ามาภายในเขตระบบสุริยะได้ส่วนนึง

รังสีทำอะไรกับ DNA ของเรา

ในสิ่งมีชีวิตอย่างมนุษย์มีสารพันธุกรรมเรียกว่า Deoxyribonucleic acid หรือ DNA แล้วสารพันธุกรรม DNA นี่เก็บข้อมูลพันธุกรรมด้วย Nitrogenous base 2 ชนิด คือ Purine base นั้นก็คือ Adenine และ Guanine และ Pyrimidine base นั้นก็คือ Cytosine และ Thymine โดยปกติรังสีเหล่านี้จะทำความเสียหายกับ DNA ของเราได้หลายระดับ จึงทำให้ร่างกายมีระบบการซ่อม DNA เหล่านี้แตกต่างกัน ยกตัวอย่างการซ่อม DNA ข้างล่าง

  • Base Mismatch Repair
    • เป็นการซ่อม DNA ที่เกิดจากการที่ DNA Polymerase วาง Nitrogenous Base ผิดตัวซึ่งโดยปกติตัว Polymerase จะแก้ไขทันที
  • Base Excision Repair
    • เป็นการซ่อม DNA ที่วาง Nitrogenous Base ผิดตัวแล้ว DNA Polymerase พลาด ไม่ได้แก้ไขก่อน
  • Nucleotide Excision Repair
    • เป็นการซ่อม DNA ที่สาย DNA ดันบิดหรือผิดรูปจนไปติดกับสาย DNA อื่นหรือพันกับสาย DNA ตัวเอง ซึ่งเกิดจากรังสี UV ซ่อมด้วยการตัดส่วนของ DNA ที่เสียหายออกแล้วแปะใหม่
  • Double Strand Break Repair
    • เป็นการซ่อม DNA ที่ Helix ขาดทั้งสายเกลียว จะมีวิธีซ่อมที่แตกต่างกันก็คือ homologous recombination และ Non-homologous recombination end-joining ขึ้นอยู่กับว่ามี Sister DNA หรือไม่ Double Strand Break เกิดจากรังสีความถี่สูง เช่น X-ray และ Gamma ray
ภาพจำลองของ DNA Double Strand Break / ภาพด้านซ้ายขาดแค่เส้นเดียว ภาพทางขวาขาดทั้ง Helix – ที่มา BioQuick

ซึ่งดังที่กล่าวมาข้างต้น สิ่งที่นักบินอวกาศจะเจอก็คือ DNA Double Strand Break ซึ่งความเสียหายต่อ DNA ชนิดนี่อาจทำให้เซลล์ตายได้เลย ซึ่งเวลาซ่อมถ้าเป็นการซ่อม DNA แบบ Homologous recombination กล่าวง่าง ๆ ก็คือมันจะเอา DNA อีกสาย (Sister DNA) ที่ไม่เสียหายมาแลกเปลี่ยนสารพันธุกรรมเพื่อทดแทนส่วนที่หายไปกลับคืนมา ก็จะได้ DNA Function กลับมาเหมือนเดิม แต่ถ้าไม่มี Sister DNA ละก็ จะเป็นการซ่อมแบบชนิดหักดิบหรือ Non-homologous recombination end-joining DNA ส่วนนี้พังใช่ไหม ได้ตัดทิ้งแม่งเลย แล้วเอาอันสองฝั่งที่ไม่เสียมาเชื่อมกันแบบดื้อ ๆ ซึ่งผลที่ได้ก็คือ DNA ที่ใช้งานได้ แต่ไออันที่มันตัดออกไปแล้วเอามาใส่ใหม่แบบมั่ว ๆ มันทำให้เกิดการกลายพันธุ์ระดับ DNA (Mutation) ซึ่งไอการกลายพันธ์นี้ถ้ามันดันเป็นส่วนที่ควบคุมการ Apoptosis (ทำลายตัวเองของเซลล์) และส่วนการแบ่งตัวของเซลล์นะ บรรลัยแน่ (มะเร็ง)

CRISPR-Cas9 และ Genes in Space-6 กับการซ่อม DNA ในอวกาศ

CRISPR-Cas9 หรือชื่อเต็มก็คือ Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat and Cas9 Protein เป็นเทคโนโลยีในการตัดต่อ Base ของ DNA CRISPR-Cas9 เป็นระบบภูมิคุ้มกันในแบคทีเรียมีไว้สำหรับการกำจัดสาย DNA แปลกปลอม (Pathogenic DNA) ที่มีจากไวรัส แต่นักวิจัยได้เอา Enzyme System CRISPR-Cas9 นี้มารวมเข้ากับ DNA Replication หรือการจำลอง DNA ทำให้เราสามารถ ตัด เพิ่ม เปลี่ยนลำดับเบส เพื่อแก้ไขรหัสพันธุกรรมใน DNA ได้

Genes in Space-6 คือการทดลองตัด DNA ระดับ Double Strand Break ของยีสต์ชื่อว่า Saccharomyces cerevisiae ด้วย CRISPR-Cas9 บนอวกาศเพื่อทดสอบว่า Saccharomyces cerevisiae จะซ่อม DNA ที่ถูกตัดอย่างไร และทดสอบว่าเกิดการกลายพันธ์ระหว่างกระบวนการซ่อม DNA ในอวกาศเป็นอย่างไร โดยจะปล่อยให้มันซ่อมตัวมันเองแล้วนักบินอวกาศจะตรวจ DNA ที่ถูกซ่อมด้วยเครื่อง miniPCR (Mini Polymerase Chain Reaction)

นักบินอวกาศ Nick Hague กับเจ้าเครื่อง miniPCR สำหรับ Genes in Space-6 – ที่มา NASA

นี่จะทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจกระบวนการซ่อม DNA ในอวกาศและสามารถนำไปปรับใช้ในการป้องกันการกลายพันธ์ในอนาคต เมื่อมนุษย์ต้องเดินทางไปนอก Van allen belt ที่ ๆ นักบินอวกาศจะปราศจากการคุ้มกันภายใต้ Magnetosphere ของโลก ซึ่งเป็นอะไรที่เสี่ยงมาก

นักวินอวกาศ David Saint-Jacque กำลังทำการทดลองกับเครื่อง miniPCR ในการทดลอง Genes in Space-6 – ที่มา NASA

นอกจากนี้ Genes in Space ยังเปิดให้นักเรียนชั้น ม.ปลาย ส่ง proposal ออกแบบการทดลอง DNA เพื่อนำไปทดลองบน ISS อีกด้วย สามารถดูรายละเอียดได้ที่เว็บไซต์ Gene in Space หมดเขตส่งวันที่ 17 เมษายน 2020

Spaceflight Radiation Carcinogenesis เมื่อนักบินอวกาศต้องเผชิญกับสารก่อมะเร็งที่รุนแรงกว่าบนโลก

นักบินอวกาศจะได้รับรังสีประมาณ 50-2000 millisieverts (mSv) ต่อภารกิจ 6 เดือนบน ISS ซึ่ง Dose โดยปกติจอง Ionizing radiation ที่ทำให้เกิดการกลายพันธุ์ซึ่งนำไปสู่มะเร็งอยู่ที่ 50 mSv ขึ้นไป ซึ่ง Space radiation เหล่านี้มาจากหลาย ๆ ที่เช่นพวก low-LET (Low Linear Energy Transfer) อย่าง X-rays และ Gamma rays ซึ่งส่วนใหญ่มาจาก SPE (Solar Particle Event) ของดวงอาทิตย์ และ GCR (Galatic Cosmic Rays)

ภาพจำลอง SPE ของดวงอาทิตย์และสนามแม่เหล็กโลก – ที่มา NASA/SOHO

โครงการ Space Radiation Program Element (SRPE) เป็นโครงการที่จะศึกษาผลกระทบของรังสีในอวกาศต่อมนุษย์เพื่อป้องกันความเสี่ยงในการเกิดโรคมะเร็งในนักบินอวกาศที่กำลังทำงานอยู่บน ISS รวมถึงเพื่อนำประโยชน์ไปใช้ประโยชน์ในการเดินทางไปดาวเคราะห์ดวงอื่น เช่น ดาวอังคาร

ภาพจำลองโมเลกุล Ionizing radiation ที่ทะลุร่างกายเราด้วยความเร็วแสง – ที่มา NASA

ในตอนนี้ มีการวิจัยที่น่าสนใจเกี่ยวกับมะเร็งอีกหนึ่งอย่างก็คือเรื่อง Microencapsulation Electrostatic Processing Systems (MEPS) เป็นการวิจัยเกี่ยวกับ micro-balloon ซึ่งบรรจุยาต้านมะเร็งเอาไว้ เนื่องจากในสภาวะไร้น้ำหนัก micro-balloon เหล่านี้สามารถคงโครงสร้างของมันไว้ได้ ทำให้การให้ยา หรือ drug delivery ง่ายขึ้น ซึ่ง MEPS เป็นวิธีการรักษาแบบเฉพาะเจาะจงเพราะสามารถฉีดเข้าไปในตัวเซลล์มะเร็งได้เลย ช่วยลดผลข้างเคียง ไม่เหมือนกับการทำ Chemotheraphy ซึ่งมีผลข้างเคียงสูงมาก

Micro-balloon ที่บรรจุยาต้านมะเร็ง (Anti-cancer drug) เอาไว้อยู่ เป็นการทำ MEPS ในภารกิจ STS-95 – ที่มา NASA/Johnson Space Center

ซึ่งการวิจัยเรื่องนี้นำไปสู้การนำ Micro-balloon ไปประยุกต์ใช้เป็นยารักษาโรคติดเชื้ออื่น ๆ อีกด้วยเช่นปอดอักเสบ ติดเชื้อแบคทีเรีย ติดเชื้อไวรัส รวมทั้งมะเร็ง ทางผู้เขียนเองก็กำลังเป็นผู้ช่วยวิจัยให้งานวิจัยเรื่องยาต้านมะเร็งชนิดก้อน (Solid tumors) ทำหน้าที่เป็น pan-FGFR Inhibitor ซึ่งกำลังอยู่ในระยะ Phase 2 หรือทดลองในกลุ่มตัวอย่าง ซึ่งกลุ่มตัวอย่างที่พูดถึงมีคนไทยรวมอยู่ด้วย แต่ขอไม่เล่าเกี่ยวกับงานวิจัยในรายละเอียดและ Mechanism ของตัวยาเพราะผู้เขียนลงนาม NDA (Non-Disclosure Agreement) หรือสัญญาการไม่เปิดเผยข้อมูลไปแล้ว เดี๋ยวซวยโดนฟ้องเอา (ฮ่า)

สุดท้ายนี้ก็หวังว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถวิจัยและสร้างวิธีการป้องกันการกลายพันธุ์ของเซลล์มะเร็งในมนุษย์ได้สำเร็จ เพราะนี่จะเป็นประโยชน์ต่อทั้งการสำรวจอวกาศและ life quality ของมวลมนุษยชาติ เพราะมีคนจำนวนไม่น้อยที่ต้องสละชีวิตให้โรคที่ชื่อว่ามะเร็ง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

How NASA Will Protect Astronauts From Space Radiation at the Moon

What is a coronal mass ejection or CME?

Space Radiation Risks

ISS Technicial Publication

Genes in Space-6

Human Research Program

NASA Space Radiation Program

Studying DNA Breaks to Protect Future Space Travelers

CLLab





Read More

บทความอื่น ๆ ที่ควรอ่านต่อ



เรื่องราวน่าสนใจ

อัพเดทเรื่องราว ข่าว และบทวิเคราะห์เจาะลึก