Светът на физиката Влияние на космическите лъчи върху хората
Бергита Гансе, феликс испанец 16 декември 2011 г.
Атмосферата работи като огромен защитен щит, но колкото повече се отдалечаваме от земната повърхност, толкова по-енергични частици от космоса удрят телата ни и могат да причинят сериозни щети там. Това е проблем, особено за космонавтите.
На земята, както и в космоса, ние сме изложени на космически лъчи през цялото време. Високоенергийни частици с енергии, вариращи от няколко мегаелектрон волта до 10-20 електрон волта, удрят земята. За сравнение: най-големият ускорител на частици досега, Големият адронен колайдер в изследователския център на CERN близо до Женева, ускорява частиците до само 10 10 електрона волта. Тази енергия приблизително съответства на кинетичната енергия на летящ комар - но концентрирана върху размера на протон - докато енергията на една от най-енергийните частици на космическото излъчване вече съответства на енергията на тенис топка, падаща на земята от височина десет метра. Само много от тези частици с най-висока енергия обаче удрят земята: около една частица на квадратен километър и век.
Енергиен спектър на космическите лъчи
Частиците в космическите лъчи са предимно протони, хелиеви ядра и електрони. Въпреки това, особено при най-високите енергии, има и много железни ядра. В допълнение към нашето слънце като възможни източници се търгуват звездни експлозии в Млечния път и активни ядра на галактики извън Млечния път. Произходът на по-специално високоенергийните частици все още не е ясно изяснен. Докато броят на високоенергийните частици от далечни източници остава почти постоянен в продължение на години, количеството на нискоенергийните частици от слънцето понякога може да варира много силно. Това се дължи най-вече на изригвания на слънчевата повърхност.
Днес облачно с порой от частици
Първичното космическо лъчение удря земната атмосфера от всички посоки в космоса и там се забавя от кислородни и азотни атоми. Понякога сложните физически процеси водят до различни вторични частици, особено неутрони, протони и пиони. Поради тези реакции най-високата интензивност на лъчението е на височина от около двадесет километра над земната повърхност, под която тя отново намалява. Излагането на радиация също зависи от географската ширина, тъй като космическата радиация не е равномерно разпределена в земната атмосфера: интензитетът е по-голям на геомагнитните полюси, отколкото на екватора. Отговорно за това е земното магнитно поле, което отклонява електрически заредените частици от първоначалния им път. В земната орбита се намира и радиационният пояс на Ван Алън - пръстен от високоенергийни заредени частици, които до известна степен са уловени от земното магнитно поле. Радиационният пояс се простира на площ от около 700 до 6000 километра над земната повърхност и трябва да се вземе предвид поради голямото облъчване на астронавтите, например при позициониране на космически станции.
На земната повърхност преобладава естественото фоново излъчване през скалата, тъй като космическото лъчение е защитено от атмосферата. Сега обаче хората са все по-изложени на това чрез космически пътувания и въздушен трафик. Като цяло, колкото по-далеч се отдалечавате от земната повърхност, толкова по-силно е влиянието на космическите лъчи. Техният ефект понякога може значително да се различава от естествената радиоактивност. От една страна, това се дължи на факта, че космическите лъчи са много по-енергични. От друга страна, космическата радиация не се абсорбира от храната или въздуха, който дишате.
В космическа станция в космоса ефективната доза на облъчване е около 200 милизиверта годишно, докато облъчването от космическите лъчи на земята е само около 0,3 милизиверта годишно (на морското равнище). В сравнение с общата ефективна доза от естествени източници на радиация, която в Германия добавя до един до шест милизиверта годишно в зависимост от това къде се намирате, космическата радиация е само малка част. По време на космическа разходка астронавтите научиха годишната доза радиация на земята само след един ден. Когато планирате дългосрочни мисии, свързаното с радиацията увреждане на здравето е фактор, който трябва да се има предвид. Специфичен проблем за космическите пътувания са слънчевите изригвания, които засега не могат да бъдат предсказани със сигурност. По време на тези събития дозата на облъчване може да се увеличи многократно, причинявайки краткосрочни и дългосрочни здравословни проблеми.
Ефект върху генома
Космическата радиация означава хронична тежест върху организма. Ако високоенергийните частици или високоенергийното електромагнитно излъчване удрят тялото и проникнат в него, поглъщането на енергията там може да задейства верига от реакции. Ако например се промени енергийното състояние на молекулата, по-специално ДНК като носител на генетична информация, това може да доведе до смърт на клетка или до клетъчни мутации. Но йонизиращите частици или вторичните електрони също могат да причинят големи щети непряко: ако например ударят водна молекула в тялото и я унищожат, могат да се образуват така наречените радикали - атоми или молекули, които са особено реактивни. Радикалите също са в състояние да увредят клетките и да причинят заболявания, включително рак. Биологичните ефекти на йонизиращото лъчение показват значителен интервал от време между първичните, директни физически взаимодействия (веднага) и тумори, които се появяват късно (няколко години) до генетични промени в следващите поколения (много години).
Радиационно увреждане на ДНК
Ако погледнете молекулите в клетката, увреждането на ензимите, протеините, РНК молекулите или биомембраните, причинено от йонизиращо лъчение, е по-малко важно от радиационното увреждане на ДНК, което може да бъде от различен тип. Те включват, например, едно- или двужилни скъсвания, повреда или загуба на основата, както и дефектна омрежване на базовите двойки. Възможно е и увреждане на хромозомите: Ако ДНК веригата бъде прекъсната, това може да доведе до загуба на хромозомен фрагмент и по този начин до загуба на генетична информация. В допълнение, омрежването на базовите двойки, причинено от йонизирано лъчение, може да доведе до неправилни връзки в хромозома или до свързване на две хромозоми.
Всеки жив организъм има способността да възстановява или компенсира радиационните щети до известна степен. На молекулярно ниво едноверижните прекъсвания или отделните повреди на основата могат да бъдат поправени по-добре от скъсаните двойни нишки или многократните повреди. Въпреки това могат да възникнат и неправилни поправки, които могат да активират гени, които преди това са били неактивни. В най-добрия случай това води до клетъчна смърт, в най-лошия случай клетката се променя генетично и се образува туморна клетка с неконтролирано клетъчно делене.
Тъканите и клетките, които се делят бързо, са особено чувствителни към радиация, докато тези с ниска степен на делене са по-малко чувствителни към радиация. Фазата на клетъчния цикъл и външните фактори като температура и парциално налягане на кислорода също играят съществена роля в радиационната чувствителност на клетката. Кръвообразуващите стволови клетки на костния мозък са една от най-чувствителните към радиация тъкани поради високата им степен на делене.Ако тези клетки са повредени, производството на кръвни клетки може да бъде нарушено, което прави тялото по-податливо на инфекции или кървене. Активните тъкани включват също лигавицата на храносмилателния тракт и кожата. Дали туморът в крайна сметка ще се развие обаче зависи от много фактори - като скоростта на растеж на клетките в тази тъкан, вида на клетката и кой ген е засегнат. Например, туморите в бавно растящи тъкани, например в простатата, понякога нямат клинично значение.
Увреждането на ДНК на сперматозоидите или яйцеклетките също може да доведе до генетични промени в бъдещите поколения. В тестисите стволовите клетки, които произвеждат сперматозоиди, са особено чувствителни, а самите сперматозоиди са доста устойчиви. При жените всички яйцеклетки вече присъстват при раждането. Щетите върху него се натрупват с течение на времето. Оплодената яйцеклетка също може да бъде повредена в утробата от йонизиращо лъчение. Колкото по-малко напреднало е развитието, толкова по-големи са последващите щети. Увреждането през първите две седмици често води до смърт на ембриона.
Дози на облъчване в космически кораби и самолети
Колкото по-висока е радиационната доза, толкова по-голяма е вероятността йонизиращото лъчение да увреди клетките в тялото. Това увеличава вероятността от развитие на рак, особено при дългосрочни полети. При астронавтите действително биха могли да бъдат открити увеличени мутации на клетките, но ситуацията с данни за летателния персонал е противоречива. Обсъждат се и други рискове като повишена вероятност от катаракта, помътняване на лещата на окото и повишен риск от артериосклероза (промени в артериалната стена). Поради малкия брой астронавти, точната оценка на рисковете в момента е възможна само в ограничена степен.
От време на време полети в самолети със сигурност не трябва да се избягват поради космическата радиация, тъй като ефективната доза тук все още е много ниска през годината и с няколко микросиверта е под критичния диапазон. Например полетът на къси разстояния увеличава средната годишна ефективна доза от излагане на естествена радиация с по-малко от един процент, а полетът на дълги разстояния с около пет процента. Излагането на радиация варира в зависимост от маршрута на полета, продължителността и надморската височина, както и текущата слънчева активност. Според сегашните познания рискът за здравето от летене се оценява като нисък дори за бременни жени. Няма обаче ясни цифри по този въпрос. По-добре е обаче да отложите космически полет до след бременност.
За да се оцени по-добре радиационният риск в космоса, изследователите измерват дозите на радиация там с помощта на експеримента Matroshka, например. Специален манекен, снабден със сензори с тегло седемдесет килограма, записва облъчването в и извън международната космическа станция ISS. Като част от проекта учените също разследват как хората могат да бъдат най-добре защитени от космически лъчи. Този въпрос играе решаваща роля, особено при по-дълги космически мисии, като полети до Марс, и трябва да се вземе предвид в бъдеще при изграждането на космически кораби и особено при реализиране на визионерски идеи като „кораби за поколение“. Тук обаче радиацията е само един от различните рискови фактори, които досега е било трудно да се контролират, които се дължат, наред с други неща, на липсата на гравитация или на плътността и монотонността на борда. Те включват проблеми като масивно разграждане на костите и мускулите, психични заболявания, затруднения в социалното взаимодействие и с хранителни проблеми, за да назовем само няколко.
Единицата за дозата на облъчване се нарича Грей или накратко Gy. Едно сиво отговаря на енергията на един джаул, която се абсорбира от един килограм телесно тегло. Острото излагане на повече от четири сиви обикновено е фатално за хората.
Тъй като различните видове радиация йонизират в различна степен, на всеки от тях е присвоен радиационен коефициент на тежест. За рентгеновото, гама и бета лъчението коефициентът е един, алфа лъчението достига фактор двадесет, а за неутронното лъчение е между пет и двадесет, в зависимост от енергията. Ако умножите дозата на облъчване в сиво с коефициента на тежест от типа на излъчване, ще получите дозата на органа, дадена в Sievert (Sv). В някои случаи се използва и терминът еквивалентна доза. За разлика от дозата на органа, еквивалентната доза не се основава на действително усвоената доза на орган или част от тялото, а се изчислява със средна стойност за мека тъкан с определени свойства.
Дозата на органа от около 0,2 Sv увеличава вероятността от генетични увреждания и риска от рак. Стойността съответства на около сто пъти по-голяма от облъчването, което се измерва средно в Германия всяка година.
По-нататъшни теглови фактори са посочени за органите в човешкото тяло, тъй като например много от вътрешните органи са много по-чувствителни към радиация от кожата. Това дава ефективната доза, която се дава и в Sv.