Az előző bejegyzésekben láthattuk, hogy a különböző sugárzások hogyan
hatnak kölcsön az anyaggal. Annak ellenére, hogy e kölcsönhatásokat ma eléggé jól
ismerjük, a sugárzás biológiai hatásának megértése mégsem triviális. Az
egészségügyi hatások, mint az élő anyag és a sugárzás találkozásának
következményei, egy felépítésében és működésében is igen összetett rendszerben
(élő szervezet) jelentkeznek és számos folyamattól és paramétertől függnek. A hatás
megértését az is bonyolítja, hogy az nem azonnali, ugyanis a sugárzás indukálta
biológiai változások csak percek, órák, vagy évek múlva detektálhatók, vagyis csak
egy látens idő elteltével jelentkeznek. Már az is egy jó kérdés, hogy mit
nevezünk biológiai hatásnak, ugyanis az élő szervezetnek különböző szerveződési
szintjei vannak, amikben a sugárzás valamilyen elváltozást okozhat különböző
időskálákon.
Az atomokkal történő kölcsönhatást már jól ismerjük az élettelen anyagok
esetéből. Ezek a hatások a sugárzás milyenségétől (alfa, béta, gamma stb.),
annak energiájától, az atomok rendszámától, koncentrációjától stb. függnek.
Általánosan azt mondhatjuk, hogy a sugárzás hatására egy bizonyos kölcsönhatás
valamekkora valószínűséggel lejátszódik. Az élő anyagban leginkább víz és
biomolekulák (pl. fehérje, zsír, poliszacharid) vannak, melyekben gerjesztés (az atom vagy molekula
magasabb energiaszintre kerül) és ionizáció
(az atom vagy molekula pozitív és negatív töltésű ionokra „bomlik”) játszódik
le. Ezeket a jelenségeket a fizikai jelenségek csoportjába soroljuk és nagyon
gyorsan (tipikusan 10-15 s alatt) lezajlanak.
A sugárzást követő 10-15-10-12 s időtartamban a
fizikokémiai jelenségeké a főszerep. Megtörténhet például, hogy a sugárzás a
szervezetben bőségesen jelenlévő vízmolekulákkal lép kölcsönhatásba. A
gerjesztett vízmolekula többletenergiával rendelkezik, ezért vagy relaxál, vagy
önionizálódik (H2O+ és e- keletkezik), vagy
pedig kötések bomlanak fel. Ez utóbbi jelenséget szakszóval disszociációnak
nevezzük. Az ionizált vízmolekula szintén disszociálhat, az ionizáció során
keletkezett elektron pedig termalizálódhat, vagyis elemi kölcsönhatások révén
leadja energiáját, míg az meg nem közelíti a környező szabad elektronok
energiaszintjét. A disszociáció az úgynevezett disszociációs sémák szerint megy végbe. A
sugárzást követő 10-12 másodpercig gerjesztett atomok és molekulák,
ionok és hidratált elektronok keletkeznek (pl. *OH, *H, *O,
H2, H2O2, H3O+, eaq).
Innentől kezdve az ú.n. kémiai fázisba lépünk.
A fent leírt folyamatok során keletkezett és termikus egyensúlyba jutott
„termékek” diffundálni kezdenek és kémiai reakciókban (gyök-gyök, gyök-DNS,
gyök-gyökfogó) vesznek részt. E jelenségek megközelítőleg a sugárzást követő 10-12-10-6
s időtartamban játszódnak le és olyan paraméterekkel jellemezhetők, mint a diffúziós
együttható, vagy a reakcióráta.
E jelenségek következménye lehet a DNS és más molekulák sérülése, amely
nagyságrendileg 10-6 másodperc alatt következik be. Az atomi
kölcsönhatások és a molekulák sérülése között legalább két kapocs létezik. Ha a
sugárzással kölcsönható atom egy biomolekula alkotója, akkor egyenes út vezet a
molekula sérüléséhez, de a kár indirekt módon is bekövetkezhet. Ez utóbbi az
odavándorolt (diffundált) és a gyökfogók (radical scavengers) által nem
semlegesített szabad gyökök és a biomolekula közötti kölcsönhatás
következménye. És itt átlépünk a biokémia/biológia területére, ahol a dolgok
egyre bonyolultabbá válnak.
A DNS-ben keletkező kár sokféle lehet, annak függvényében, hogy milyen
típusú és mennyiségű sugárzásról beszélünk, a sugárzás direkt vagy indirekt
(szabad gyökök) módon éri a DNS-t, illetve, hogy annak mely része károsul.
Ezekre mind nem térnék itt ki, mert többek között feltételezi a DNS szerkezeti
felépítésének ismeretét, amit most nem célom részletesen bemutatni. Csupán a
DNS szál töréseket említeném meg, melyek a kettős-spirál egyik (egyszálú törés),
vagy mindkét (kettős-törés) szálát érinthetik. Ez utóbbiból kevesebb van, de ez
a veszélyesebb. Rögtön megjegyezném, hogy DNS károsodás spontán (endogén) módon
is bekövetkezik, nemcsak külső tényező (exogén, pl. sugárzás) hatására. Amint
a kár bekövetkezett, a DNS kijavító mechanizmusai aktiválódnak és elkezdődik a
javítás. A kijavítás a kár helye, milyensége, mértéke alapján, vagy aszerint,
hogy a sejtet az életciklusának mely szakaszában érte a sugárzás többféle
lehet. Amit fontos megjegyezni, hogy bizonyos esetekben téves kijavítás
(missrepair) is előfordulhat. E folyamatok igen bonyolultak és perceket, órákat
vesznek igénybe.
Ha a méretben elindulunk felfelé és az időben előre, akkor a sugárzás
indukálta rendellenességek a kromoszómák (ebbe tömörül a DNS), sőt a sejt
szintjén is megjelennek. A sejt elpusztulhat vagy mutálódhat (állandósult kár),
sőt transzformálódhat. A mutációk a genetikai állományban bekövetkező tartós
változások, míg a transzformációt a rák felé vezető út fontos állomásának
tartják, de nem azonos a rákkal. Ha a kár tartós, érzékeny területet érint és
progresszál, valamint a kijavító/védekező mechanizmusok nem képesek
visszafordítani/megszüntetni, akkor idővel (évek, vagy évtizedek) kiterjedhet a
szerv/szervezet szintjére és szerencsétlen esetben olyan változásokat idézhet
elő, melyek összeegyeztethetetlenek az élettel.
A fent leírtakból látható, hogy egyetlen besugárzás milyen mennyiségű
eseménysorozatot indíthat el a szervezetben (a fentiekben a biológiai
folyamatoknak csak egy kis szelete van megemlítve). Nem csoda tehát, hogy ezek
pontos végkimenetelét nehéz megbecsülni. Ha a sugárzás dózisa kicsi, a
bizonytalanságok a biológiai választ illetően olyannyira megnőnek, hogy
gyakorlatilag sztochasztikus hatásokról beszélhetünk.
A fent említett, sugárzást követő eseményeket egy diagram közepén foglaltam
össze. Hogy fogalmunk legyen adott dózisú sugárzás indukálta jelenségek számosságáról,
a diagram bal oldalán az egy sejtmagot ért 1 Gy dózis esetében bekövetkező
események hozzávetőleges számát is feltüntettem. A jobb oldalon az eseményeknek
megfelelő időskála látható, illetve, hogy klasszikusan milyen jelenségek
csoportjába soroljuk őket.
Látható, hogy míg a bejegyzés kezdetén az egzakt leírásra törekedtem, addig
a vége felé egyre kevesebb dolgot definiáltam pontosan vagy magyaráztam meg tudományosan.
Ennek több oka is van:
egyrészt csak annyit
szerettem volna elmesélni, ami a továbbiak megértéséhez feltétlenül szükséges,
másrészt a mai tudásunk messze nem teljes, harmadrészt fizikusként a mai biológiai
tudásnak is csak igen kis töredékét ismerem. Remélem, hogy ennek ellenére
sikerült kicsit tágítani az olvasó tudáshorizontját és egy kis fényt csempészni
a sugárzás okozta hatásokról alkotott képünk sokszor csak alig derengő
miliőjébe. Legközelebb innen folytatjuk, addig se feledjétek/feledjék, hogy a
fentiekkel kapcsolatosan is sok csemege található a világhálón, amihez kitartó
böngészést, hatékony tanulást és jó szórakozást kívánok!