A fizika világa A kozmikus sugarak hatása az emberekre
Bergita Ganse, Felix Spanier, 2011. december 16
A légkör hatalmas védőpajzsként működik, de minél távolabb kerülünk a föld felszínétől, annál energikusabb részecskék érik az űrből testünket, és ott komoly károkat okozhatnak. Ez problémává válik, különösen az űrhajósok számára.
A földön és az űrben is mindig kozmikus sugárzásnak vagyunk kitéve. Nagy energiájú részecskék, amelyek energiája néhány megaelektronvolttól 10-20 elektronvoltig terjed, a földet érik. Összehasonlításképpen: az eddigi legnagyobb részecskegyorsító, a Genf melletti CERN kutatóközpontban található nagy hadronütköző csak néhány 10 12 elektronvoltra gyorsítja fel a részecskéket. Ez az energia nagyjából megfelel egy repülő szúnyog kinetikus energiájának - de a proton nagyságára koncentrálódik -, miközben a kozmikus sugárzás egyik legenergikusabb részecskéjének energiája már egy teniszlabda energiájának felel meg, amely tíz méter magasról esik a földre. Ezen legmagasabb energiájú részecskék közül azonban csak nagyon kevés éri el a földet: négyzetkilométerenként és évszázadonként egy részecske körül.
A kozmikus sugarak energiaspektruma
A kozmikus sugarak részecskéi elsősorban protonok, héliummagok és elektronok. Különösen a legmagasabb energiák esetén azonban sok a vasmag is. Napunk mellett a Tejútrendszer csillagrobbanásaival és a Tejúton kívüli aktív galaxismagokkal kereskednek, mint lehetséges források. Különösen a nagy energiájú részecskék eredete még nem tisztázott egyértelműen. Míg a távoli forrásokból származó nagy energiájú részecskék száma évekig szinte állandó marad, a napból származó alacsony energiájú részecskék mennyisége időnként nagyon erősen ingadozhat. Ezt leginkább a nap felszínén kitörések okozzák.
Ma felhős, részecskék zápora
Az elsődleges kozmikus sugárzás az űr minden irányából eléri a föld atmoszféráját, és ott oxigén- és nitrogénatomok lassítják. Néha az összetett fizikai folyamatok különféle másodlagos részecskéket eredményeznek, különösen neutronokat, protonokat és pionokat. Ezen reakciók miatt a legnagyobb sugárzási intenzitás körülbelül húsz kilométeres magasságban van a föld felszíne felett, amely alatt ismét csökken. A sugárterhelés a földrajzi szélességtől is függ, mivel a kozmikus sugárzás nem egyenletesen oszlik el a föld légkörében: az intenzitás nagyobb a geomágneses pólusokon, mint az Egyenlítőnél. Felelős ezért a föld mágneses tere, amely eltéríti az elektromosan töltött részecskéket eredeti útjától. A föld pályáján van egy Van Allen sugárzási öv is - nagy energiájú töltésű részecskék gyűrűje, amelyeket úgyszólván a föld mágneses tere csapdába ejt. A sugárzási öv a földfelszín felett 700-6000 kilométeres területen terül el, és figyelembe kell venni azt az űrhajósok magas sugárterhelése miatt, például űrállomások elhelyezésekor.
A föld felszínén a kőzeten keresztüli természetes háttérsugárzás dominál, mivel a kozmikus sugárzás el van védve a légkörtől. Az emberek azonban egyre inkább ki vannak téve ennek az űrutazás és a légi forgalom révén. Általánosságban elmondható, hogy minél tovább távolodik a föld felszínétől, annál erősebb a kozmikus sugarak hatása. Hatásuk időnként jelentősen eltérhet a természetes radioaktivitástól. Ez egyrészt annak köszönhető, hogy a kozmikus sugarak sokkal energikusabbak. Másrészt a kozmikus sugárzást nem szívja fel az élelmiszer vagy a belélegzett levegő.
Az űrben található űrállomáson a tényleges sugárzási dózis körülbelül 200 milliszivert évente, míg a földi kozmikus sugarak sugárterhelése csak körülbelül 0,3 millisievert (tengerszinten). A természetes sugárzási forrásokból származó teljes effektív dózissal összehasonlítva, amely Németországban évente legfeljebb 1–6 millisievert ad hozzá attól függően, hogy hol tartózkodik, a kozmikus sugárzás csak a töredéke. Egy űrséta során az űrhajósok mindössze egy nap elteltével megtanulták a földi éves sugárzási dózist. A hosszú távú küldetések tervezésénél figyelembe kell venni a sugárzás okozta egészségkárosodást. Az űrutazás sajátos problémája a napkitörések, amelyeket egyelőre nem lehet pontosan megjósolni. Ezen események során a sugárzási dózis sokszorosára növekedhet, rövid és hosszú távú egészségügyi problémákat okozva.
Hatás a genomra
A kozmikus sugárzás krónikus terhet jelent a szervezetre. Ha a nagy energiájú részecskék vagy a nagy energiájú elektromágneses sugárzás eltalálja a testet, és behatol rajta, akkor az ott elnyelt energia felszívhatja a reakciók láncolatát. Ha például egy molekula energetikai állapota megváltozik, különösen a DNS, mint a genetikai információ hordozója, ez egy sejt vagy sejtmutációk halálához vezethet. De az ionizáló részecskék vagy a szekunder elektronok közvetetten is nagy károkat okozhatnak: ha például a testben lévő vízmolekulára ütnek és elpusztítják, úgynevezett gyökök keletkezhetnek - atomok vagy molekulák, amelyek különösen reaktívak. A radikálisok károsíthatják a sejteket és betegségeket is okozhatnak, beleértve a rákot is. Az ionizáló sugárzás biológiai hatásai jelentős időintervallumot mutatnak az elsődleges, közvetlen fizikai kölcsönhatások (azonnal) és a későn (több év) megjelenő daganatok között a következő generációk (sok év) genetikai változásaiig.
Sugárzási károsodás a DNS-ben
Ha egy sejtben lévő molekulákat nézzük, akkor az enzimek, a fehérjék, az RNS-molekulák vagy a biomembránok ionizáló sugárzás által okozott károsodása kevésbé meghatározó tényező, mint a DNS sugárzáskárosodása, amely különféle lehet. Ide tartoznak például az egy- vagy kettős szál törései, az alap károsodása vagy elvesztése, valamint az alappárok hibás térhálósítása. A kromoszóma károsodása is lehetséges: Ha egy DNS-szál megszakad, ez egy kromoszóma-fragmens elvesztéséhez és így a genetikai információk elvesztéséhez vezethet. Ezenkívül az ionizált sugárzás által okozott bázispárok térhálósítása helytelen kapcsolatokhoz vezethet egy kromoszómán belül, vagy két kromoszóma kapcsolódásához vezethet.
Minden élő szervezet képes bizonyos mértékig helyrehozni vagy kompenzálni a sugárkárosodást. Molekuláris szinten az egyszálú törések vagy az egyes bázisok károsodása jobban helyrehozható, mint a kettős szálú törések vagy a többszörös károsodás. Helytelen javítások is előfordulhatnak, amelyek aktiválhatják a korábban inaktív géneket. A legjobb esetben ez sejthalállal vezet, a legrosszabb esetben a sejt genetikailag megváltozik, és egy kontrollálatlan sejtosztódású tumorsejt képződik.
A gyorsan osztódó szövetek és sejtek különösen érzékenyek a sugárzásra, míg az alacsony osztódási arányúak kevésbé érzékenyek a sugárzásra. De a sejtciklus fázisa és a külső tényezők, például a hőmérséklet és az oxigén parciális nyomása is alapvető szerepet játszanak a sejt sugárzási érzékenységében. A csontvelő vérképző őssejtjei az egyik legérzékenyebb sugárzási szövetek magas osztódási arányuk miatt. Ha ezek a sejtek károsodnak, a vérsejtek termelése megzavaródhat, így a szervezet hajlamosabb a fertőzésekre vagy a vérzésre. Az aktív szövetek közé tartozik az emésztőrendszer nyálkahártyája és a bőr is. Az, hogy egy daganat végül kialakul-e, számos tényezőtől függ - például a szövet sejtjeinek növekedési sebességétől, a sejt típusától és attól, hogy melyik gén érintett. A daganatok lassan növekvő szövetekben, például a prosztatában fejlődnek ki, egyes esetekben nincs klinikai jelentőségük.
A spermiumok vagy a petesejtek DNS-károsodása genetikai változásokhoz is vezethet a jövő generációiban. A herékben a spermiumokat termelő őssejtek különösen érzékenyek, és maguk a spermiumok is meglehetősen ellenállóak. A nőknél az összes petesejt már a születéskor jelen van. Károsodása idővel felhalmozódik. A megtermékenyített petesejt ionizáló sugárzással károsodhat a méhben is. A következményes kár annál nagyobb, minél kevésbé halad a fejlődés. Az első két hét károsodása gyakran az embrió halálához vezet.
Sugárzási dózisok űrhajókon és repülőgépeken
Minél nagyobb a sugárzási dózis, annál nagyobb a valószínűsége annak, hogy az ionizáló sugárzás károsítja a test sejtjeit. Ez növeli a rák kialakulásának valószínűségét, különösen hosszú távú repülések esetén. Az űrhajósoknál a sejtek megnövekedett mutációs aránya valóban kimutatható volt, de a repülési személyzet adathelyzete ellentmondásos. Más kockázatokról, például a szürkehályog valószínűségének megnövekedéséről, a szemlencse elhomályosodásáról és az arteriosclerosis (az artériás fal változásai) fokozott kockázatáról is szó esik. Az űrhajósok alacsony száma miatt a kockázatok pontos értékelése jelenleg csak korlátozott mértékben lehetséges.
A repülőgépeken történő alkalmi repüléseket a kozmikus sugárzás miatt biztosan nem kell kerülni, mert az évre számított effektív dózis még mindig nagyon alacsony, és néhány mikrováltóval kevesebb, mint a kritikus tartomány. A rövid távú repülés például kevesebb mint egy százalékkal, a hosszú távú repülés pedig körülbelül öt százalékkal növeli a természetes sugárterhelésből származó éves átlagos effektív dózist. A sugárterhelés a repülési útvonaltól, időtartamtól és magasságtól, valamint az aktuális napaktivitástól függően ingadozik. A jelenlegi ismeretek szerint a repülés egészségügyi kockázatát még terhes nők esetében is alacsonynak ítélik meg. Erről azonban nincsenek egyértelmű adatok. Jobb azonban az űrrepülést a terhesség utánra halasztani.
Az űrben lévő sugárzási kockázat jobb megbecsülése érdekében a kutatók például a Matroshka-kísérlet segítségével megmérik az ottani sugárzási dózist. Egy hetven kilogramm súlyú érzékelőkkel felszerelt speciális próbabábu rögzíti a sugárterhelést az ISS nemzetközi űrállomáson belül és kívül. A projekt részeként a tudósok azt is vizsgálják, hogyan lehet az embereket a legjobban megvédeni a kozmikus sugaraktól. Ez a kérdés döntő szerepet játszik, különösen a hosszabb űrmissziókban, például a Marsra tartó repüléseknél, és a jövőben figyelembe kell venni azt az űrhajók építésénél, különösen az olyan látomásos elképzelések megvalósításakor, mint a „generációs hajók”. Itt azonban a sugárzás csak egyike azoknak a kockázati tényezőknek, amelyeket eddig nehéz volt ellenőrizni, és amelyek többek között a fedélzeten lévő gravitáció hiányának vagy szorosságának és egyhangúságának tudhatók be. Ezek közé tartoznak olyan problémák, mint a csontok és izmok hatalmas lebomlása, mentális betegségek, a társas interakció nehézségei és táplálkozási problémák, hogy csak néhányat említsünk.
A sugárzási dózis egységét Greynek vagy röviden Gy-nek hívják. Az egyik szürke egy joule energiájának felel meg, amelyet egy kilogramm testtömeg vesz fel. Négynél több szürke akut expozíció általában halálos.
Mivel a különböző sugárzási típusok különböző mértékben ionizálódnak, mindegyikhez hozzárendelnek egy sugárzási súlytényezőt. A röntgen-, gamma- és béta-sugárzás esetén a tényező egy, az alfa-sugárzás eléri a húszszorosát, a neutronsugárzás esetében pedig az energiától függően öt és húsz között van. Ha a szürke színű sugárzási dózist megszorozzuk a sugárzás típusának súlytényezőjével, akkor megkapjuk a szerv dózisát, amelyet Sievertben (Sv) adunk meg. Bizonyos esetekben az ekvivalens dózis kifejezést is használják. A szervdózissal szemben az ekvivalens dózis nem egy szerv vagy testrész ténylegesen felszívódott dózisán alapul, hanem meghatározott tulajdonságokkal rendelkező lágy szövet átlagos értékével számol.
A 0,2 Sv körüli szervdózis növeli a genetikai károsodás valószínűségét és a rák kockázatát. Az érték kb. Százszorosa annak a sugárterhelésnek, amelyet Németországban évente átlagosan mértek.
További súlyozási tényezőket határoznak meg az emberi test szerveire vonatkozóan, mivel például sok belső szerv sokkal érzékenyebb a sugárzásra, mint a bőr. Ez adja meg az effektív dózist, amelyet a Sv.