Світ фізики Вплив космічних променів на людину
Бергіта Гансе, іспанець Фелікс, 16 грудня 2011 р
Атмосфера працює як гігантський захисний щит, але чим далі ми віддаляємося від поверхні землі, тим енергійніші частинки з космосу потрапляють у наше тіло і можуть завдати там серйозної шкоди. Це проблема особливо для космонавтів.
На землі, а також у космосі ми завжди зазнаємо впливу космічних променів. На землю потрапляють частинки високої енергії з енергіями від декількох мегаелектрон-вольт до 10-20 електрон-вольт. Для порівняння: найбільший на сьогоднішній день прискорювач частинок, Великий адронний колайдер в дослідницькому центрі CERN поблизу Женеви, прискорює частинки до кількох 10 12 електронів вольт. Ця енергія приблизно відповідає кінетичній енергії літаючого комара, але сконцентрована на розмірі протона, тоді як енергія однієї з найенергійніших частинок космічного випромінювання вже відповідає енергії тенісного м'яча, що падає на землю з висоти десяти метрів. Однак лише дуже мало цих частинок з найвищою енергією потрапляє на землю: приблизно одна частинка на квадратний кілометр і століття.
Енергетичний спектр космічних променів
Частинки космічних променів - це в основному протони, ядра гелію та електрони. Однак, особливо при найвищих енергіях, є також багато залізних ядер. На додаток до нашого сонця, можливими джерелами є торгівля зірками в Чумацькому Шляху та активними ядрами галактик за межами Чумацького Шляху. Походження, зокрема, частинок з високою енергією ще не було чітко з'ясовано. Хоча кількість частинок високої енергії з віддалених джерел залишається майже постійною протягом багатьох років, кількість низькоенергетичних частинок від Сонця може іноді коливатися дуже сильно. Це в основному викликано виверженнями на сонячній поверхні.
Сьогодні хмарно з дощем частинок
Первинне космічне випромінювання потрапляє в земну атмосферу з усіх боків у космосі і там уповільнюється атомами кисню та азоту. Іноді в результаті складних фізичних процесів виникають різні вторинні частинки, особливо нейтрони, протони та піони. Через ці реакції найвища інтенсивність випромінювання знаходиться на висоті близько двадцяти кілометрів над земною поверхнею, нижче якої вона знову зменшується. Опромінення також залежить від географічної широти, оскільки космічне випромінювання не рівномірно розподіляється по земній атмосфері: інтенсивність більша на геомагнітних полюсах, ніж на екваторі. За це відповідає магнітне поле Землі, яке відхиляє електрично заряджені частинки від їх початкового шляху. На земній орбіті знаходиться також радіаційний пояс Ван Аллена - кільце заряджених частинок з високою енергією, які, так би мовити, потрапили в земне магнітне поле. Радіаційний пояс простягається на площу приблизно від 700 до 6000 кілометрів над земною поверхнею, і його слід враховувати через високу радіаційну радіацію для астронавтів, наприклад при розміщенні космічних станцій.
На земній поверхні переважає природне фонове випромінювання через гірські породи, оскільки космічне випромінювання захищається від атмосфери. Однак зараз люди все частіше піддаються цьому через космічні подорожі та повітряний рух. Загалом, чим далі ви віддаляєтесь від земної поверхні, тим сильніший вплив космічних променів. Їх ефект іноді може суттєво відрізнятися від природної радіоактивності. З одного боку, це пов'язано з тим, що космічні промені набагато енергійніші. З іншого боку, космічне випромінювання не поглинається через їжу або повітря, яким ви дихаєте.
На космічній станції в космосі ефективна доза опромінення становить близько 200 мілізівертів на рік, тоді як радіаційне опромінення космічними променями на землі становить лише близько 0,3 мілізіверта на рік (на рівні моря). Порівняно із загальною ефективною дозою природних джерел випромінювання, яка в Німеччині складає від одного до шести мілізівертів на рік залежно від того, де ви знаходитесь, космічне випромінювання становить лише частку. Під час космічної прогулянки астронавти дізналися річну дозу опромінення на землі всього за одну добу. Плануючи довгострокові місії, фактором, який слід враховувати, є ушкодження здоров'я, пов'язане з радіацією. Особливою проблемою для космічних подорожей є виверження Сонця, які поки що не можна передбачити з певністю. Під час цих подій доза опромінення може зрости в рази, що спричиняє короткострокові та довгострокові проблеми зі здоров’ям.
Вплив на геном
Космічне випромінювання означає хронічне навантаження на організм. Якщо частинки високої енергії або високоенергетичне електромагнітне випромінювання потрапляють на тіло і проникають в нього, поглинання там енергії може привести в рух ланцюг реакцій. Якщо, наприклад, енергетичний стан молекули змінюється, особливо ДНК як носій генетичної інформації, це може призвести до загибелі клітини або клітинних мутацій. Але іонізуючі частинки або вторинні електрони також можуть завдати великої шкоди опосередковано: якщо, наприклад, вони потрапляють у молекулу води в тілі і руйнують її, можуть утворитися так звані радикали - атоми або молекули, які особливо реагують. Радикали також можуть пошкоджувати клітини та викликати захворювання, включаючи рак. Біологічні ефекти іонізуючого випромінювання демонструють значний проміжок часу між первинними, прямими фізичними взаємодіями (негайно) та пухлинами, які з'являються пізно (кілька років), аж до генетичних змін у наступних поколіннях (багато років).
Радіаційне пошкодження ДНК
Якщо розглянути молекули всередині клітини, пошкодження ферментів, білків, молекул РНК або біомембран, спричинене іонізуючим випромінюванням, менш важливе, ніж радіаційне пошкодження ДНК, яке може бути різного типу. Сюди входять, наприклад, одно- або двожильні обриви, пошкодження або втрата основи, а також несправне зшивання пар основ. Також можливе пошкодження хромосом: якщо ланцюг ДНК перерваний, це може призвести до втрати фрагмента хромосоми і, таким чином, до втрати генетичної інформації. Крім того, зшивання пар основ, спричинене іонізованим випромінюванням, може призвести до неправильних зв’язків у хромосомі або до з’єднання двох хромосом.
Кожен живий організм здатний певною мірою відновлювати або компенсувати радіаційні збитки. На молекулярному рівні одноланцюгові розриви або окремі пошкодження основи можуть бути виправлені краще, ніж дволанцюгові розриви або множинні пошкодження. Однак можуть траплятися і неправильні репарації, які можуть активувати гени, які раніше були неактивними. У найкращому випадку це призводить до загибелі клітини, в гіршому випадку клітина змінюється генетично і утворюється клітина пухлини з неконтрольованим поділом клітини.
Тканини і клітини, які швидко діляться, особливо чутливі до випромінювання, тоді як ті, що мають низький рівень поділу, менш чутливі до випромінювання. Але фаза клітинного циклу та зовнішні фактори, такі як температура та парціальний тиск кисню, також відіграють важливу роль у радіаційній чутливості клітини. Кровотворні стовбурові клітини кісткового мозку є однією з найбільш чутливих до випромінювання тканин через їх високу швидкість поділу. Якщо ці клітини пошкоджені, виробництво клітин крові може бути порушено, роблячи організм більш схильним до інфекцій або кровотеч. Активні тканини також включають слизову оболонку травного тракту та шкіру. Однак чи розвинеться пухлина в кінцевому підсумку, залежить від багатьох факторів - таких, як швидкість росту клітин у цій тканині, тип клітини та який ген зазнає впливу. Пухлини розвиваються в повільно зростаючих тканинах, наприклад, в простаті, в деяких випадках не мають клінічного значення.
Пошкодження ДНК сперматозоїдів або яйцеклітин також може призвести до генетичних змін у майбутніх поколіннях. У яєчках стовбурові клітини, що продукують сперму, особливо чутливі, а самі сперми досить стійкі. У жінок всі яйцеклітини вже є при народженні. Шкода йому накопичується з часом. Запліднена яйцеклітина також може бути пошкоджена в утробі матері іонізуючим випромінюванням. Внаслідок цього шкода тим більша, чим менше розвиток прогресує. Пошкодження в перші два тижні часто призводить до загибелі ембріона.
Дози радіації в космічних апаратах і літаках
Чим вище доза опромінення, тим більша ймовірність того, що іонізуюче випромінювання пошкодить клітини в організмі. Це збільшує ймовірність розвитку раку, особливо на довгострокових рейсах. У космонавтів для льотного персоналу насправді можна було виявити підвищений рівень мутації клітин, однак ситуація з даними суперечлива. Також обговорюються інші ризики, такі як підвищена ймовірність розвитку катаракти, помутніння кришталика ока та підвищений ризик артеріосклерозу (зміни стінки артерії). Через низьку кількість космонавтів точна оцінка ризиків наразі можлива лише обмежено.
Випадкових польотів у літаках, безумовно, не потрібно уникати через космічне випромінювання, оскільки ефективна доза тут все ще дуже низька протягом року, а при кількох мікросівертах нижче критичного діапазону. Наприклад, короткомагістральний політ збільшує середньорічну ефективну дозу впливу природного опромінення менше ніж на один відсоток, а польоти на далекі відстані приблизно на п'ять відсотків. Опромінення коливається в залежності від маршруту польоту, тривалості та висоти, а також поточної сонячної активності. Відповідно до сучасних знань, ризик для здоров'я від польоту оцінюється як низький навіть для вагітних жінок. Однак чітких цифр щодо цього немає. Однак краще відкласти космічний політ до настання вагітності.
Для кращої оцінки радіаційного ризику в космосі, наприклад, дослідники вимірюють там дози опромінення за допомогою експерименту Матрошки. Спеціальний манекен, оснащений датчиками вагою в сімдесят кілограмів, фіксує радіаційне опромінення всередині та за межами міжнародної космічної станції МКС. В рамках проекту вчені також досліджують, як найкраще захистити людей від космічних променів. Це питання відіграє вирішальну роль, особливо у довших космічних місіях, таких як польоти на Марс, і його слід враховувати в майбутньому при будівництві космічних кораблів і особливо при реалізації таких фантазійних ідей, як "кораблі поколінь". Однак тут випромінювання є лише одним із різних факторів ризику, які до цього часу було важко контролювати, які, серед іншого, зумовлені відсутністю сили тяжіння або герметичністю та монотонністю на борту. Сюди входять такі проблеми, як масивний розпад кісток і м’язів, психічні захворювання, труднощі в соціальній взаємодії та проблеми харчування, якщо назвати декілька.
Одиниця вимірювання дози опромінення називається Грей, або скорочено Gy. Один сірий відповідає енергії одного джоуля, яка поглинається одним кілограмом маси тіла. Гострий вплив більше чотирьох сірих кольорів, як правило, смертельний для людей.
Оскільки різні типи випромінювання іонізуються в різному ступені, кожному з них присвоюється коефіцієнт випромінювання. Для рентгенівського, гамма- та бета-випромінювання коефіцієнт дорівнює одиниці, альфа-випромінювання досягає коефіцієнта двадцяти, а для нейтронного випромінювання - від п’яти до двадцяти залежно від енергії. Якщо помножити дозу опромінення сірим кольором на ваговий коефіцієнт типу опромінення, ви отримаєте дозу органу, подану в Зіверті (Зв). У деяких випадках також використовується термін еквівалентна доза. На відміну від дози органу, еквівалентна доза не базується на фактично поглиненій дозі органу або частини тіла, а обчислюється із середнім значенням для м'яких тканин із визначеними властивостями.
Доза органу приблизно 0,2 Зв збільшує ймовірність генетичних пошкоджень та ризик раку. Це значення відповідає приблизно стократному опроміненню, яке вимірюється в середньому в Німеччині щороку.
Подальші вагові коефіцієнти вказані для органів людського тіла, оскільки, наприклад, багато внутрішні органи набагато чутливіші до випромінювання, ніж шкіра. Це дає ефективну дозу, яку також дають у св.