Promieniowanie kosmiczne, zarówno tzw. pierwotne (protony o energiach od 10-7
do 10-20 eV, pozytony, elektrony, promieniowanie gamma) oraz
wtórne (głównie miony i elektrony na które miony się rozpadają) powodują różnego rodzaju uszkodzenia biologiczne , w tym w strukturach
DNA (mutacje, rekombinacje genόw, denaturacja DNA). Okazuje się jednak, że te uszkodzenia nie sa
spowodowane przez samo promieniowanie, ale glównie
przez elektrony, które powstają w żywych komórkach
jako efekt jonizacji, np. czaąsteczek wody.
Elektrony te mają energie w zakresie od 1 do 20
eV, czyli teroetycznie energie
zbyt małe aby dokonywać
kolejnej jonizacji złożonych
drobin
(próg jonizacji np. alkoholu etylowego wynosi
10,5
eV). Do niedawna nie bylo jasne, czy takie niskoenergetyczne elektrony
mogą
powodować uszkodzenia genetyczne DNA jak SSB (Single Strand Break)
czyli
przerwanie jednego z ramion helisy DNA lub DSB (Double Strand Break)
czyli
przerwanie obu ramion helisy.
Naukowcy kanadyjscy [Science, Vol
287, 3/12/2000] przeprowadzili skomplikowany eksperyment, który miał wyjaśnić mechanizm tych
uszkodzeń. Wyniki okazały się zaskakujące (Rys. 1):
Rys. 1 Uszkodzenia struktury DNA przez elektrony o niskich energiach.
1. Elektrony o bardzo niskich
energiach wywoluja uszkodzenia DNA (zarówno SSB i DSB) nawet dla
energii poniżej progu jonizacji DNA, ktόry wynosi od 7,5 do 10 eV.
2. Zdolność do uszkodzeń DNA
(przekrój czynny na oddziaływanie)
silnie zależy od energii elektronow, czyli ma charakter rezonansowy.
Zaobserwowany próg reakcji wynosi około 3 eV dla SSB i okolo 5 eV dla
DSB; maksimum przekroju czynnego wypada około 10 eV. Zachowanie takie
rózni się od charakteru oddziaływania kwantów
promieniowania elektromagnetycznego (fotonow) z DNA, gdzie obserwuje
się
monotoniczny wzrost ilości uszkodzeń od 7 do 12 eV a nastepnie, dla wyższych energii, stały przekrój czynny, niezmieniony aż do 2 keV.
3. Obserwowane maksimum przekrojów czynnych jest do dwóch rzędόw wielkości większe niż dla
fotonów.
Wyniki pokazują więc, że uszkodzenia nie
zależą jedynie od energii zaabsorbowanego kwantu, ale i od natury
przenoszącej go cząstki.
Wyjaśnieniem tego procesu okazało się dysocjacyjne przyłączenie
elektronu do molekuły i powstanie stanu rezonansowego – przejściowego
anionu molekularnego
e-+ RH = RH*-,
ktόry rozpada sie następnie przez
auto-odłączenie elektronu lub też ulega
dysocjacji (z odlaczeniem jonu H-) wzdłuż jednego lub kilku
wiązań
RH*- = R
+ H-.
Podobny mechanizm uszkodzeń
molekuł stwierdzono w przypadku cienkich warstw zawierających wodę,
tyminę i analog dezyksyrybozy (Rys. 2).
Rys. 2 Uszkodzenia skondensowanych filmów molekuł (A – tyminy, B – wody
C
– alkoholu tetrahydrofurylowego) wywolane przez elektrony.
