Svet fyziky Vplyv kozmického žiarenia na človeka
Bergita Ganse, Felix Spanier 16. decembra 2011
Atmosféra funguje ako obrovský ochranný štít, ale čím ďalej sa vzďaľujeme od zemského povrchu, tým viac vysokoenergetických častíc z vesmíru zasahuje naše telá a môže tam spôsobiť vážne škody. To stáva problém najmä pre astronautov.
Na Zemi i vo vesmíre sme vždy vystavení kozmickým lúčom. Na zem dopadajú vysokoenergetické častice s energiami od niekoľkých megaelektrónových voltov do 10 - 20 elektrónvoltov. Pre porovnanie: doteraz najväčší najväčší urýchľovač častíc, Veľký hadrónový urýchľovač vo výskumnom centre CERN neďaleko Ženevy, urýchľuje častice iba na niekoľko 10 12 elektrónvoltov. Táto energia zhruba zodpovedá kinetickej energii lietajúceho komára - koncentruje sa však na veľkosť protónu - zatiaľ čo energia jednej z najenergetickejších častíc kozmického žiarenia už zodpovedá energii tenisovej loptičky padajúcej na zem z výšky desiatich metrov. Avšak iba veľmi málo z týchto vysokoenergetických častíc zasiahlo Zem: okolo jednej častice na kilometer štvorcový a celé storočie.
Energetické spektrum kozmických lúčov
Časticami v kozmickom žiarení sú hlavne protóny, jadrá hélia a elektróny. Najmä pri najvyšších energiách však existuje aj veľa železných jadier. Okrem nášho slnka sa ako možné zdroje obchodujú aj výbuchy hviezd v Mliečnej ceste a aktívne jadrá galaxií mimo Mliečnej dráhy. Konkrétne pôvod vysokoenergetických častíc zatiaľ nebol jednoznačne objasnený. Zatiaľ čo počet vysokoenergetických častíc zo vzdialených zdrojov zostáva roky takmer konštantný, množstvo nízkoenergetických častíc zo slnka môže niekedy veľmi silno kolísať. To je väčšinou spôsobené erupciami na povrchu slnka.
Dnes oblačno so sprchou častíc
Primárne kozmické žiarenie dopadá na zemskú atmosféru zo všetkých smerov vo vesmíre a je tam spomalené atómami kyslíka a dusíka. Výsledkom zložitých fyzikálnych procesov niekedy sú rôzne sekundárne častice, najmä neutróny, protóny a piony. Kvôli týmto reakciám je najvyššia intenzita žiarenia vo výške asi dvadsať kilometrov nad zemským povrchom, pod ktorou opäť klesá. Vystavenie žiareniu tiež závisí od zemepisnej šírky, pretože kozmické žiarenie nie je rovnomerne rozložené v zemskej atmosfére: intenzita je vyššia na geomagnetických póloch ako na rovníku. Zodpovedné za to je zemské magnetické pole, ktoré odkláňa elektricky nabité častice z pôvodnej dráhy. Na obežnej dráhe Zeme sa nachádza aj Van Allenov radiačný pás - prstenec vysokoenergetických nabitých častíc, ktoré sú do istej miery zachytené zemským magnetickým poľom. Radiačný pás sa rozprestiera na ploche asi 700 až 6000 kilometrov nad zemským povrchom a je potrebné ho brať do úvahy z dôvodu vysokej radiačnej expozície pre astronautov, napríklad pri umiestňovaní vesmírnych staníc.
Na zemskom povrchu prevažuje prirodzené žiarenie pozadia cez horninu, pretože kozmické žiarenie je chránené pred atmosférou. Ľudia sú tomu však dnes čoraz viac vystavovaní prostredníctvom vesmírneho cestovania a leteckej dopravy. Všeobecne platí, že čím ďalej sa vzdialite od zemského povrchu, tým silnejší je vplyv kozmických lúčov. Ich účinok sa niekedy môže výrazne líšiť od prirodzenej rádioaktivity. Na jednej strane je to spôsobené tým, že kozmické lúče sú oveľa energickejšie. Na druhej strane, kozmické žiarenie nie je absorbované jedlom alebo vzduchom, ktorý dýchate.
V kozmickej stanici vo vesmíre je efektívna dávka žiarenia okolo 200 milisievertov ročne, zatiaľ čo vystavenie radiácii z kozmických lúčov na Zemi je iba okolo 0,3 milisievertov ročne (na hladine mora). V porovnaní s celkovou účinnou dávkou z prírodných zdrojov žiarenia, ktorá v Nemecku predstavuje až jeden až šesť milisievertov ročne v závislosti od toho, kde sa nachádzate, je kozmické žiarenie iba zlomkom. Počas vesmírnej prechádzky sa astronauti dozvedeli ročnú dávku žiarenia na Zemi už po jednom dni. Pri plánovaní dlhodobých misií je potrebné brať do úvahy poškodenie zdravia spôsobené žiarením. Osobitným problémom vesmírneho cestovania sú slnečné erupcie, ktoré sa zatiaľ nedajú s istotou predpovedať. Počas týchto udalostí sa dávka žiarenia môže mnohonásobne zvýšiť, čo spôsobí krátkodobé a dlhodobé zdravotné problémy.
Účinok na genóm
Kozmické žiarenie znamená chronické zaťaženie organizmu. Ak vysokoenergetické častice alebo vysokoenergetické elektromagnetické žiarenie zasiahnu telo a preniknú doň, absorpcia energie tam môže uviesť do pohybu reťazec reakcií. Ak sa napríklad zmení energetický stav molekuly, najmä DNA ako nosiča genetickej informácie, môže to viesť k smrti bunky alebo bunkových mutácií. Ale ionizujúce častice alebo sekundárne elektróny môžu tiež spôsobiť nepriame veľké škody: ak napríklad zasiahnu molekulu vody v tele a zničia ju, môžu sa vytvoriť takzvané radikály - atómy alebo molekuly, ktoré sú obzvlášť reaktívne. Radikály môžu tiež poškodiť bunky a spôsobiť choroby vrátane rakoviny. Biologické účinky ionizujúceho žiarenia ukazujú značné časové rozpätie medzi primárnymi, priamymi fyzickými interakciami (okamžite) a nádormi, ktoré sa objavujú neskoro (niekoľko rokov), až po genetické zmeny v ďalších generáciách (mnoho rokov).
Radiačné poškodenie DNA
Ak sa pozriete na molekuly v bunke, poškodenie enzýmov, proteínov, molekúl RNA alebo biomembrán spôsobené ionizujúcim žiarením je menej dôležité ako poškodenie DNA, ktoré môže byť rôzneho typu. Patria sem napríklad jedno alebo dvojvláknové zlomy, poškodenie alebo strata bázy, ako aj chybné zosieťovanie párov báz. Možné je aj poškodenie chromozómov: Ak dôjde k prerušeniu reťazca DNA, môže to viesť k strate fragmentu chromozómu, a tým k strate genetickej informácie. Okrem toho môže zosieťovanie párov báz spôsobené ionizovaným žiarením viesť k nesprávnemu spojeniu v chromozóme alebo k spojeniu dvoch chromozómov.
Každý živý organizmus má schopnosť do istej miery opraviť alebo kompenzovať radiačné škody. Na molekulárnej úrovni je možné lepšie napraviť zlomenie jedného vlákna alebo poškodenie jednotlivej bázy ako zlomenie dvojitého vlákna alebo viacnásobné poškodenie. Môžu sa však vyskytnúť aj nesprávne opravy, ktoré môžu aktivovať gény, ktoré boli predtým neaktívne. V najlepšom prípade to vedie k bunkovej smrti, v najhoršom prípade sa bunka zmení geneticky a vytvorí sa nádorová bunka s nekontrolovaným bunkovým delením.
Tkáne a bunky, ktoré sa rýchlo delia, sú obzvlášť citlivé na žiarenie, zatiaľ čo bunky s nízkou rýchlosťou delenia sú menej citlivé na žiarenie. Ale fáza bunkového cyklu a vonkajšie faktory, ako je teplota a parciálny tlak kyslíka, tiež zohrávajú podstatnú úlohu v citlivosti bunky na žiarenie. Krvotvorné kmeňové bunky kostnej drene sú jedným z najcitlivejších tkanív na žiarenie kvôli svojej vysokej miere delenia. Ak sú tieto bunky poškodené, môže dôjsť k narušeniu tvorby krviniek, čo spôsobí, že telo bude náchylnejšie na infekcie alebo krvácanie. Aktívne tkanivá tiež zahŕňajú sliznicu tráviaceho traktu a pokožku. To, či sa nádor nakoniec vyvinie, však závisí od mnohých faktorov - napríklad od rýchlosti rastu buniek v tomto tkanive, typu bunky a ovplyvneného génu. Nádory sa vyvíjajú v pomaly rastúcich tkanivách, napríklad v prostate, v niektorých prípadoch nie sú klinicky významné.
Poškodenie DNA spermií alebo vajíčok môže tiež viesť k genetickým zmenám v budúcich generáciách. V semenníkoch sú obzvlášť citlivé kmeňové bunky, ktoré produkujú spermie, a samotné spermie sú celkom rezistentné. U žien sú všetky vaječné bunky prítomné už pri narodení. Poškodenie sa časom hromadí. Oplodnené vajíčko sa môže poškodiť aj v maternici ionizujúcim žiarením. Následné škody sú tým väčšie, čím menej vývoj pokročil. Poškodenie v prvých dvoch týždňoch často vedie k smrti embrya.
Dávky žiarenia v kozmických lodiach a lietadlách
Čím vyššia je dávka žiarenia, tým vyššia je pravdepodobnosť, že ionizujúce žiarenie poškodí bunky v tele. To zvyšuje pravdepodobnosť vzniku rakoviny, najmä pri dlhodobých letoch. U astronautov bola skutočne detegovaná zvýšená miera mutácií buniek, ale dátová situácia pre letový personál je kontroverzná. Diskutuje sa aj o ďalších rizikách, ako je zvýšená pravdepodobnosť katarakty, zakalenie očnej šošovky a zvýšené riziko artériosklerózy (zmeny v stene artérie). Vzhľadom na nízky počet astronautov je v súčasnosti možné presné hodnotenie rizík iba v obmedzenej miere.
Príležitostným letom v lietadlách sa určite netreba vyhýbať kvôli kozmickému žiareniu, pretože efektívna dávka je tu v priebehu roka stále veľmi nízka a pri niekoľkých mikrosievertoch je pod kritickým rozsahom. Napríklad let na krátke vzdialenosti zvyšuje priemernú ročnú efektívnu dávku z vystavenia prírodnému žiareniu o menej ako jedno percento a let na dlhé vzdialenosti zhruba o päť percent. Vystavenie žiareniu kolíše v závislosti od trasy letu, trvania a nadmorskej výšky, ako aj od aktuálnej slnečnej aktivity. Podľa súčasných poznatkov je zdravotné riziko lietania hodnotené ako nízke aj pre tehotné ženy. O tom však neexistujú jasné čísla. Je však lepšie odložiť vesmírny let až po tehotenstve.
Aby bolo možné lepšie odhadnúť radiačné riziko vo vesmíre, vedci tam merajú radiačné dávky napríklad pomocou experimentu Matroshka. Špeciálna figurína vybavená senzormi s hmotnosťou sedemdesiat kilogramov zaznamenáva radiačnú expozíciu vo vnútri aj mimo medzinárodnej vesmírnej stanice ISS. V rámci projektu vedci tiež skúmajú, ako je možné najlepšie chrániť ľudí pred kozmickými lúčmi. Táto otázka hrá rozhodujúcu úlohu najmä pri dlhších vesmírnych misiách, ako sú lety na Mars, a musí sa s ňou v budúcnosti počítať pri stavbe vesmírnych lodí, najmä pri realizácii vizionárskych myšlienok, ako sú „generačné lode“. Tu je však žiarenie iba jedným z rôznych rizikových faktorov, ktoré sa doteraz ťažko kontrolovali, a ktoré sú okrem iného spôsobené nedostatkom gravitácie alebo obmedzenosťou a monotónnosťou na palube. Patria sem napríklad problémy s masívnym odbúravaním kostí a svalov, duševné choroby, ťažkosti v sociálnej interakcii a problémy s výživou.
Jednotka dávky žiarenia sa nazýva Gray alebo skrátene Gy. Jedna šedá zodpovedá energii jedného joula, ktorú absorbuje jeden kilogram telesnej hmotnosti. Akútna expozícia viac ako štyroch sivých farieb je pre ľudí zvyčajne smrteľná.
Pretože rôzne typy žiarenia ionizujú v rôznej miere, každému z nich je priradený váhový faktor žiarenia. Pre röntgenové, gama a beta žiarenie je faktor jeden, alfa žiarenie dosahuje faktor dvadsať a pre neutrónové žiarenie päť až dvadsať, v závislosti od energie. Ak vynásobíte dávku žiarenia v Graye váhovým faktorom typu žiarenia, získate dávku orgánu uvedenú v Sievert (Sv). V niektorých prípadoch sa používa aj termín ekvivalentná dávka. Na rozdiel od dávky orgánu nie je ekvivalentná dávka založená na skutočne absorbovanej dávke orgánu alebo časti tela, ale počíta sa s priemernou hodnotou pre mäkké tkanivo s definovanými vlastnosťami.
Dávka orgánov okolo 0,2 Sv zvyšuje pravdepodobnosť genetického poškodenia a riziko rakoviny. Hodnota zodpovedá zhruba stokrát vyššiemu ožiareniu, aké sa v Nemecku ročne meria v priemere.
Ďalšie váhové faktory sú špecifikované pre orgány v ľudskom tele, pretože napríklad veľa vnútorných orgánov je oveľa citlivejších na žiarenie ako pokožka. To dáva účinnú dávku, ktorá je uvedená aj v Sv.