Lumea fizicii Influența razelor cosmice asupra oamenilor
Bergita Ganse, Felix Spanier 16 decembrie 2011
Atmosfera funcționează ca un scut imens de protecție, dar cu cât ne îndepărtăm mai mult de suprafața pământului, cu atât mai multe particule energetice din spațiu ne lovesc corpurile și pot provoca daune grave acolo. Aceasta devine o problemă, în special pentru astronauți.
Pe pământ, precum și în spațiu, suntem întotdeauna expuși razelor cosmice. Particulele cu energie ridicată cu energii variind de la câțiva megaelectroni volți la 10-20 electroni volți lovesc pământul. Pentru comparație: cel mai mare accelerator de particule de până acum, Large Hadron Collider de la centrul de cercetare CERN de lângă Geneva, accelerează particulele la doar câțiva 10 12 electroni volți. Această energie corespunde aproximativ cu energia cinetică a unui țânțar zburător - dar concentrată pe dimensiunea unui proton - în timp ce energia uneia dintre cele mai energice particule de radiație cosmică corespunde deja cu energia unei mingi de tenis care cade pe sol de la o înălțime de zece metri. Cu toate acestea, doar foarte puține dintre aceste particule cu cea mai mare energie lovesc pământul: aproximativ o particulă pe kilometru pătrat și secol.
Spectrul energetic al razelor cosmice
Particulele din razele cosmice sunt în principal protoni, nuclei de heliu și electroni. Cu toate acestea, mai ales cu cele mai mari energii, există și multe miezuri de fier. Pe lângă soarele nostru, exploziile de stele din Calea Lactee și nucleele de galaxie active din afara Căii Lactee sunt comercializate ca surse posibile. În special, originea particulelor cu energie ridicată nu a fost încă clarificată în mod clar. În timp ce numărul de particule cu energie ridicată din surse îndepărtate rămâne aproape constant timp de ani de zile, cantitatea de particule cu energie scăzută din soare poate fluctua uneori foarte puternic. Acest lucru este cauzat în principal de erupții la suprafața soarelui.
Astăzi înnorat, cu un ploaie de particule
Radiația cosmică primară lovește atmosfera pământului din toate direcțiile spațiului și este încetinită acolo de atomii de oxigen și azot. Uneori, procesele fizice complexe duc la diferite particule secundare, în special neutroni, protoni și pioni. Din cauza acestor reacții, cea mai mare intensitate a radiației se află la o înălțime de aproximativ douăzeci de kilometri deasupra suprafeței pământului, sub care scade din nou. Expunerea la radiații depinde și de latitudinea geografică, deoarece radiația cosmică nu este distribuită uniform în atmosfera terestră: intensitatea este mai mare la polii geomagnetici decât la ecuator. Responsabil pentru acest lucru este câmpul magnetic al Pământului, care deviază particulele încărcate electric de traseul lor original. În orbita terestră există și centura de radiații Van Allen - un inel de particule încărcate cu energie ridicată, care sunt într-o anumită măsură prinse de câmpul magnetic al pământului. Centura de radiații se extinde pe o suprafață de aproximativ 700 până la 6000 de kilometri deasupra suprafeței pământului și trebuie luată în considerare din cauza expunerii la radiații ridicate pentru astronauți, de exemplu atunci când poziționează stațiile spațiale.
La suprafața pământului predomină radiația naturală de fond prin rocă, deoarece radiația cosmică este protejată de atmosferă. Cu toate acestea, oamenii sunt acum din ce în ce mai expuși la aceasta prin călătorii spațiale și traficul aerian. În general, cu cât vă îndepărtați mai mult de suprafața pământului, cu atât influența razelor cosmice devine mai puternică. Efectul lor poate diferi uneori semnificativ de radioactivitatea naturală. Pe de o parte, acest lucru se datorează faptului că razele cosmice sunt mult mai energice. Pe de altă parte, radiația cosmică nu este absorbită prin alimente sau prin aerul pe care îl respiri.
Într-o stație spațială din spațiu, doza efectivă de radiație este de aproximativ 200 milisieverți pe an, în timp ce expunerea la radiații de la razele cosmice pe pământ este de numai 0,3 milisieverți pe an (la nivelul mării). Comparativ cu doza efectivă totală din surse de radiații naturale, care în Germania se adaugă până la unu până la șase milisieverți pe an, în funcție de locul în care vă aflați, radiația cosmică este doar o fracțiune. În timpul unei plimbări spațiale, astronauții au învățat doza anuală de radiații pe pământ după doar o zi. Atunci când planificați misiuni pe termen lung, daunele cauzate de radiații asupra sănătății sunt un factor de luat în considerare. O problemă specială pentru călătoriile spațiale sunt erupțiile solare, care până acum nu pot fi prezise cu certitudine. În timpul acestor evenimente, doza de radiații poate crește de multe ori, provocând probleme de sănătate pe termen scurt și lung.
Efect asupra genomului
Radiația cosmică înseamnă o povară cronică asupra organismului. Dacă particulele cu energie ridicată sau radiațiile electromagnetice cu energie ridicată lovesc corpul și îl pătrund, absorbția energiei de acolo poate seta un lanț de reacții în mișcare. Dacă, de exemplu, starea energetică a unei molecule se schimbă, în special ADN-ul ca purtător de informații genetice, acest lucru poate duce la moartea unei celule sau a mutațiilor celulare. Dar particulele ionizante sau electronii secundari pot provoca, de asemenea, mari daune în mod indirect: dacă, de exemplu, lovesc o moleculă de apă din corp și o distrug, se pot forma așa-numiții radicali - atomi sau molecule care sunt deosebit de reactive. De asemenea, radicalii pot deteriora celulele și pot provoca boli, inclusiv cancerul. Efectele biologice ale radiațiilor ionizante arată un interval de timp considerabil între interacțiunile fizice primare, directe (imediat) și tumorile care apar târziu (câțiva ani) până la modificările genetice din generațiile următoare (mulți ani).
Deteriorarea radiației ADN-ului
Dacă te uiți la moleculele dintr-o celulă, deteriorarea enzimelor, proteinelor, moleculelor de ARN sau a biomembranelor cauzate de radiațiile ionizante este mai puțin un factor decisiv decât deteriorarea radiației ADN-ului, care poate fi de diferite tipuri. Acestea includ, de exemplu, pauzele de fir unic sau dublu, deteriorarea sau pierderea bazei și reticularea defectuoasă a perechilor de baze. De asemenea, este posibilă deteriorarea cromozomului: dacă un fir ADN este întrerupt, acest lucru poate duce la pierderea unui fragment cromozomial și, astfel, la pierderea informațiilor genetice. În plus, reticularea perechilor de baze cauzate de radiațiile ionizate poate duce la conexiuni incorecte într-un cromozom sau la conectarea a doi cromozomi.
Fiecare organism viu are capacitatea de a repara sau de a compensa într-o anumită măsură daunele cauzate de radiații. La nivel molecular, pauzele monocatenare sau deteriorarea bazei individuale pot fi reparate mai bine decât pauzele cu catena dublă sau daunele multiple. Cu toate acestea, pot apărea și reparații incorecte, care pot activa gene care erau anterior inactive. În cel mai bun caz, acest lucru duce la moartea celulei, în cel mai rău caz, celula se modifică genetic și se formează o celulă tumorală cu diviziune celulară necontrolată.
Țesuturile și celulele care se divid rapid sunt deosebit de sensibile la radiații, în timp ce cele cu o rată de divizare scăzută sunt mai puțin sensibile la radiații. Dar faza ciclului celular și factorii externi precum temperatura și presiunea parțială a oxigenului joacă, de asemenea, un rol esențial în sensibilitatea la radiație a unei celule. Celulele stem formatoare de sânge ale măduvei osoase sunt unul dintre cele mai sensibile țesuturi la radiații datorită ratelor ridicate de diviziune. Dacă aceste celule sunt deteriorate, producția de celule sanguine poate fi perturbată, făcând corpul mai predispus la infecții sau sângerări. Țesuturile active includ, de asemenea, membrana mucoasă a tractului digestiv și pielea. Cu toate acestea, dacă o tumoare se dezvoltă în cele din urmă, depinde de mulți factori - cum ar fi rata de creștere a celulelor din acest țesut, tipul de celulă și care genă este afectată. Tumorile se dezvoltă în țesuturile cu creștere lentă, de exemplu în prostată, în unele cazuri fără relevanță clinică.
Deteriorarea ADN-ului spermatozoizilor sau celulelor ovule poate duce, de asemenea, la modificări genetice în generațiile viitoare. În testicule, celulele stem care produc sperma sunt deosebit de sensibile, iar spermatozoizii înșiși sunt destul de rezistenți. La femei, toate celulele ovulelor sunt deja prezente la naștere. Daunele adunate se acumulează în timp. O celulă ovulă fertilizată poate fi, de asemenea, deteriorată în uter prin radiații ionizante. Cu cât dezvoltarea este mai puțin avansată, cu atât sunt mai mari daunele care rezultă. Deteriorarea în primele două săptămâni duce adesea la moartea embrionului.
Doze de radiații în nave spațiale și aeronave
Cu cât doza de radiații este mai mare, cu atât este mai mare probabilitatea ca radiațiile ionizante să deterioreze celulele din corp. Acest lucru crește probabilitatea de a dezvolta cancer, în special pe zborurile pe termen lung. La astronauți, rate de mutație crescute ale celulelor ar putea fi de fapt detectate, pentru echipajul de zbor, cu toate acestea, situația datelor este controversată. Sunt discutate și alte riscuri, cum ar fi o probabilitate crescută de cataractă, înnorarea cristalinului ochiului și un risc crescut de arterioscleroză (modificări ale peretelui arterial). Datorită numărului redus de astronauți, o evaluare exactă a riscurilor este posibilă în prezent doar într-o măsură limitată.
Zborurile ocazionale în avioane cu siguranță nu trebuie evitate din cauza radiației cosmice, deoarece doza efectivă este încă foarte mică aici pe parcursul anului și, cu câteva microsieverte, este sub intervalul critic. Un zbor pe distanțe scurte, de exemplu, mărește doza medie anuală efectivă din expunerea la radiații naturale cu mai puțin de un procent și un zbor pe distanțe lungi cu aproximativ cinci procente. Expunerea la radiații fluctuează în funcție de ruta de zbor, durata și altitudinea, precum și de activitatea solară curentă. Conform cunoștințelor actuale, riscul de sănătate al zborului este evaluat ca fiind scăzut chiar și pentru femeile însărcinate. Cu toate acestea, nu există cifre clare în acest sens. Cu toate acestea, este mai bine să amânați un zbor spațial până după sarcină.
Pentru a estima mai bine riscul de radiații în spațiu, cercetătorii măsoară dozele de radiații acolo cu ajutorul experimentului Matroshka, de exemplu. Un manechin special echipat cu senzori cu o greutate de șaptezeci de kilograme înregistrează expunerea la radiații în interiorul și în afara stației spațiale internaționale ISS. Ca parte a proiectului, oamenii de știință investighează, de asemenea, modul în care oamenii pot fi protejați cel mai bine de razele cosmice. Această întrebare joacă un rol decisiv, în special în misiunile spațiale mai lungi, cum ar fi zborurile către Marte, și trebuie luată în considerare în viitor la construirea de nave spațiale și mai ales atunci când realizăm idei vizionare precum „nave de generație”. Aici, însă, radiația este doar unul dintre diferiții factori de risc care au fost dificil de controlat până acum, care se datorează, printre altele, lipsei de gravitație sau etanșeității și monotoniei la bord. Acestea includ probleme precum defectarea masivă a oaselor și a mușchilor, boli mintale, dificultăți în interacțiunea socială și probleme de nutriție, pentru a numi câteva.
Unitatea pentru doza de radiații se numește Grey sau Gy pe scurt. Un gri corespunde energiei unui joule care este absorbit de un kilogram de greutate corporală. Expunerea acută a mai mult de patru gri este de obicei fatală pentru oameni.
Deoarece diferitele tipuri de radiații ionizează în grade diferite, fiecăruia dintre ei i se atribuie un factor de ponderare a radiațiilor. Pentru radiațiile cu raze X, gamma și beta, factorul este unul, radiația alfa atinge un factor de douăzeci, iar pentru radiația de neutroni este între cinci și douăzeci, în funcție de energie. Dacă înmulțiți doza de radiații în gri cu factorul de ponderare a tipului de radiație, obțineți doza de organ, dată în Sievert (Sv). În unele cazuri, este folosit și termenul de doză echivalentă. Spre deosebire de doza de organ, doza echivalentă nu se bazează pe doza efectiv absorbită a unui organ sau a unei părți a corpului, ci se calculează cu o valoare medie pentru un țesut moale cu proprietăți definite.
O doză de organ de aproximativ 0,2 Sv crește probabilitatea de deteriorare genetică și riscul de cancer. Valoarea corespunde cu aproximativ o sută de ori expunerea la radiații care se măsoară în medie în Germania în fiecare an.
Alți factori de ponderare sunt specificați pentru organele din corpul uman, deoarece, de exemplu, multe dintre organele interne sunt mult mai sensibile la radiații decât pielea. Aceasta oferă doza eficientă, care este, de asemenea, dată în Sv.