Светот на физиката Влијание на космичките зраци врз луѓето
Бергита Гансе, Феликс Спаниер 16 декември 2011 година
Атмосферата работи како огромен заштитен штит, но колку повеќе се оддалечуваме од површината на земјата, толку поенергичните честички од вселената ги погодуваат нашите тела и можат да предизвикаат сериозни штети таму. Ова е проблем особено за астронаутите.
На земјата, како и во вселената, секогаш сме изложени на космички зраци. Високоенергетски честички со енергија кои се движат од неколку мегаелектронски волти до 10-20 електрони волти ја погодуваат земјата. За споредба: најголемиот акцелератор на честички до сега, Големиот хадров судирач во истражувачкиот центар ЦЕРН близу Geneенева, ги забрзува честичките на само неколку 10 12 електрони волти. Оваа енергија приближно одговара на кинетичката енергија на летачки комарец - но концентрирана на големината на протонот - додека енергијата на една од најенергичните честички на космичкото зрачење веќе одговара на енергијата на тениско топче што паѓа на земја од висина од десет метри. Сепак, само многу малку од овие честички со највисока енергија ја погодуваат земјата: околу една честичка на километар квадратен и век.
Енергетски спектар на космички зраци
Честичките во космичките зраци се главно протони, јадра на хелиум и електрони. Сепак, особено со највисоки енергии, има и многу железни јадра. Покрај нашето сонце, како можни извори се тргува со експлозии на starвезди во Млечниот Пат и активни јадра на галаксии надвор од Млечниот Пат. Потеклото на особено енергетските честички сè уште не е јасно разјаснето. Додека бројот на високоенергетски честички од далечни извори останува речиси константен со години, количината на нискоенергетски честички од сонцето понекогаш може да варира многу силно. Ова најмногу е предизвикано од ерупции на површината на сонцето.
Денес облачно со туш честички
Примарното космичко зрачење ја погодува атмосферата на земјата од сите правци во вселената и се забавува таму од атомите на кислород и азот. Понекогаш сложените физички процеси резултираат во разни секундарни честички, особено неутрони, протони и пиони. Поради овие реакции, најголемиот интензитет на зрачење е на висина од околу дваесет километри над површината на земјата, под која повторно се намалува. Изложеноста на зрачење зависи и од географската географска ширина, бидејќи космичкото зрачење не е рамномерно распоредено низ земјината атмосфера: интензитетот е поголем на геомагнетните полови отколку на екваторот. Одговорно за ова е магнетното поле на земјата, кое ги отклонува електрично наелектризираните честички од нивната оригинална патека. Во орбитата на Земјата се наоѓа и појасот на зрачење Ван Ален - прстен од високоенергетски наелектризирани честички кои се во одредена мерка заробени од магнетното поле на Земјата. Ременот за зрачење се протега на површина од околу 700 до 6000 километри над површината на земјата и мора да се земе предвид заради големата изложеност на радијација кај астронаутите, на пример при позиционирање на вселенски станици.
На површината на земјата, преовладува зрачењето на природната позадина низ карпата, бидејќи космичкото зрачење е заштитено од атмосферата. Сепак, луѓето сега се повеќе се изложени на тоа преку вселенски патувања и воздушен сообраќај. Општо, колку подалеку се оддалечувате од површината на земјата, толку е посилно влијанието на космичките зраци. Нивниот ефект понекогаш може значително да се разликува од природната радиоактивност. Од една страна, ова се должи на фактот дека космичките зраци се многу поенергични. Од друга страна, космичкото зрачење не се апсорбира преку храната или воздухот што го дишете.
Во вселенска станица во вселената, ефективната доза на зрачење е околу 200 милисивертти годишно, додека изложеноста на зрачење од космичките зраци на земјата е само околу 0,3 милисивертти годишно (на ниво на море). Во споредба со вкупната ефективна доза од природни извори на зрачење, што во Германија додава до еден до шест милисиверт годишно во зависност од тоа каде се наоѓате, космичкото зрачење е само мал дел. За време на вселенска прошетка, астронаутите ја научиле годишната доза на зрачење на земјата по само еден ден. При планирање на долгорочни мисии, штетата на здравјето поврзана со зрачење е фактор што треба да се разгледа. Посебен проблем за патување во вселената се сончевите ерупции, кои досега не можат со сигурност да се предвидат. За време на овие настани, дозата на зрачење може да се зголеми многукратно, предизвикувајќи краткорочни и долгорочни здравствени проблеми.
Ефект врз геномот
Космичкото зрачење значи хронично оптоварување на организмот. Ако високоенергетските честички или високоенергетското електромагнетно зрачење го погодат телото и продираат во него, апсорпцијата на енергијата таму може да постави синџир на реакции во движење. Ако, на пример, се промени енергетската состојба на молекулата, особено ДНК како носител на генетски информации, ова може да доведе до смрт на мутација на клетка или клетка. Но, јонизирачките честички или секундарните електрони можат индиректно да предизвикаат голема штета: ако, на пример, удрат во молекула на вода во телото и ја уништат, може да се формираат таканаречени радикали - атоми или молекули кои се особено реактивни. Радикалите исто така можат да ги оштетат клетките и да предизвикаат болести, вклучувајќи рак. Биолошките ефекти на јонизирачкото зрачење покажуваат значителен временски период помеѓу примарните, директните физички интеракции (веднаш) и туморите што се појавуваат доцна (неколку години) до генетските промени во следните генерации (многу години).
Оштетување на зрачење на ДНК
Ако ги погледнете молекулите во ќелијата, оштетувањето на ензимите, протеините, РНК молекулите или биомембраните предизвикани од јонизирачко зрачење е помалку важно од оштетувањето од зрачење на ДНК, кое може да биде од различни видови. Овие вклучуваат, на пример, прекини во единечна или двојна нишка, оштетување или загуба на основата, како и неправилно вкрстено поврзување на основните парови. Исто така, можно е оштетување на хромозомот: Доколку се прекине ДНК-влакно, ова може да доведе до губење на фрагмент од хромозом, а со тоа и до губење на генетските информации. Покрај тоа, вкрстената врска на основните парови предизвикани од јонизирано зрачење може да доведе до неправилни врски во рамките на хромозомот или до поврзување на два хромозома.
Секој жив организам има можност да ја поправи или компензира штетата од зрачење до одреден степен. На молекуларно ниво, паузите со една нишка или оштетувањето на индивидуалните основи може да се санираат подобро од паузите со двојни нишки или повеќекратното оштетување. Сепак, може да се појават и неправилни поправки, кои можат да активираат гени кои претходно биле неактивни. Во најдобар случај ова доведува до смрт на клетките, во најлош случај клетката се менува генетски и се формира туморска клетка со неконтролирана клеточна делба.
Ткивата и клетките кои брзо се делат се особено чувствителни на зрачење, додека оние со мала стапка на поделба се помалку чувствителни на зрачење. Но, фазата на клеточниот циклус и надворешните фактори како што се температурата и парцијалниот притисок на кислородот, исто така, играат суштинска улога во чувствителноста на зрачење на клетката. Матичните клетки што формираат крв во коскената срцевина се едни од најчувствителните ткива на зрачење поради високата стапка на поделба.Ако се оштетат овие клетки, може да се наруши производството на крвни клетки, правејќи го телото поподложно на инфекции или крварења. Активните ткива вклучуваат и мукозна мембрана на дигестивниот тракт и кожата. Дали конечно ќе се развие тумор, зависи од многу фактори - како што се стапката на раст на клетките во ова ткиво, видот на клетката и кој ген е засегнат. Туморите се развиваат во бавно растечки ткива, на пример во простатата, во некои случаи не се од клиничка важност.
Оштетувањето на ДНК на сперматозоидите или клетките на јајце клетките исто така може да доведе до генетски промени во идните генерации. Кај тестисите, матичните клетки кои произведуваат сперма се особено чувствителни, а самите сперматозоиди се доста отпорни. Кај жените, сите јајце клетки се веќе присутни при раѓање. Оштетувањето на него се акумулира со текот на времето. Оплодената јајце клетка исто така може да се оштети во матката со јонизирачко зрачење. Последователната штета е поголема колку што помалку напредуваше развојот. Оштетувањето во првите две недели често доведува до смрт на ембрионот.
Дози на зрачење во вселенски летала и авиони
Колку е поголема дозата на зрачење, толку е поголема веројатноста јонизирачкото зрачење да ги оштети клетките во телото. Ова ја зголемува веројатноста за развој на рак, особено на долгорочни летови. Кај астронаутите, зголемената стапка на мутација на клетките навистина може да се открие, за персоналот на летот, сепак, ситуацијата со податоците е контроверзна. Исто така, се дискутира и за други ризици, како што се зголемена веројатност за појава на катаракта, заматување на леќата на окото и зголемен ризик од артериосклероза (промени во артерискиот wallид). Поради малиот број на астронаути, точна проценка на ризиците во моментов е можна само во ограничен обем.
Повремените летови во авионите секако не мора да се избегнуваат поради космичкото зрачење, бидејќи ефективната доза е сè уште многу мала во текот на годината и со неколку микросиверти е под критичниот опсег. Лет со кратки релации, на пример, ја зголемува просечната годишна ефективна доза од изложеност на природно зрачење за помалку од еден процент, а долгиот лет за околу пет проценти. Изложеноста на зрачење варира во зависност од патеката на летот, времетраењето и надморската височина, како и тековната соларна активност. Според сегашните сознанија, здравствениот ризик од летање се проценува на низок дури и кај бремени жени. Сепак, нема јасни бројки за ова. Сепак, подобро е да се одложи летот во вселената за по бременоста.
Со цел подобро да се процени ризикот од зрачење во вселената, истражувачите ги мерат дозите на зрачење таму со помош на експериментот Матрошка, на пример. Специјална кукла опремена со сензори тешки седумдесет килограми ја бележи изложеноста на зрачење внатре и надвор од меѓународната вселенска станица ISS. Како дел од проектот, научниците исто така истражуваат како луѓето можат најдобро да се заштитат од космичките зраци. Ова прашање игра одлучувачка улога, особено во подолгите вселенски мисии, како што се летовите кон Марс, и мора да се земе предвид во иднина при изградба на вселенски бродови и особено при реализација на визионерски идеи како што се „бродови за генерација“. Тука, сепак, зрачењето е само еден од различните фактори на ризик кои досега тешко се контролираа, а кои се должат, меѓу другото, на недостаток на гравитација или на затегнатоста и монотонијата на бродот. Овие вклучуваат проблеми како што се масивно распаѓање на коските и мускулите, ментални заболувања, тешкотии во социјалната интеракција и со нутриционистички проблеми, да наведеме неколку.
Единицата за дозата на зрачење се нарекува сива, или скратено Gy. Едно сиво одговара на енергијата од еден џул што се апсорбира од еден килограм телесна тежина. Акутното изложување на повеќе од четири сиви обично е фатално за луѓето.
Бидејќи различните видови на зрачење се јонизираат во различни степени, на секој од нив му е доделен фактор на мерење на зрачење. За Х-зраци, гама и бета-зрачење, факторот е еден, алфа-зрачењето достигнува фактор дваесет, а за неутронско зрачење е помеѓу пет и дваесет, во зависност од енергијата. Ако ја множите дозата на зрачење во сиво со факторот за мерење на видот на зрачењето, ја добивате дозата на органот, дадена во Сиверт (Sv). Во некои случаи, исто така се користи терминот еквивалентна доза. За разлика од дозата на органот, еквивалентната доза не се базира на реално апсорбираната доза на орган или дел од телото, туку се пресметува со просечна вредност за мекото ткиво со дефинирани својства.
Доза на орган од околу 0,2 Sv ја зголемува веројатноста за генетско оштетување и ризикот од рак. Вредноста одговара на околу сто пати поголема од изложеноста на зрачење што се мери во просек во Германија секоја година.
Понатамошни фактори за пондерирање се специфицирани за органите во човечкото тело, бидејќи, на пример, многу од внатрешните органи се многу почувствителни на зрачење отколку кожата. Ова дава ефективна доза, која е дадена и во Св.