Các hạt nặng năng lượng cao (HZE) trong bức xạ vũ trụ

Chúng ta vừa tìm hiểu về bức xạ vũ trụ. Có một loại hạt gây tò mò nhất cho chúng ta, vì chúng không được dạy trong chương trình phổ thông đại trà: đó là các hạt năng lượng cao HZE. Tôi sẽ giải thích chi tiết cách các hạt nặng năng lượng cao (HZE - High-Z and Energy particles) trong bức xạ vũ trụ gây tổn thương DNA. Đây là một quá trình phức tạp, kết hợp giữa vật lý hạt và sinh học phân tử.

1. HZE là gì?

HZE particles là các hạt nhân nguyên tử nặng (có số khối lớn, Z > 2) mang năng lượng cực cao, thường từ vài MeV/nucleon (megaelectronvolt trên nucleon) đến hàng GeV/nucleon. Ví dụ:

- Heli (Z=2), Carbon (Z=6), Oxy (Z=8), Sắt (Z=26).

- Chúng chiếm khoảng 1% tia vũ trụ thiên hà (GCRs) nhưng đóng góp lớn vào liều bức xạ do khả năng xuyên thấu và gây tổn thương cao.

Đặc điểm:

- Năng lượng cao: Từ 100 MeV/n đến >10 GeV/n.

- Khả năng ion hóa mạnh: Điểm đặc biệt của HZE là Linear Energy Transfer (LET) cao (thường 100-200 keV/µm), nghĩa là chúng truyền năng lượng tập trung dọc theo đường đi, tạo ra nhiều ion thứ cấp (như electron, neutron), hay còn gọi là "đường ion hóa" dày đặc (ionization track) so với proton (LET thấp, ~0.2-2 keV/µm) hay tia gamma.

Khi chúng xuyên qua mô sống, chúng tương tác với các phân tử theo hai cách chính:

- Ion hóa trực tiếp: Hạt HZE va chạm với electron trong phân tử (như DNA hoặc nước), làm mất electron và tạo ra ion.

- Ion hóa gián tiếp: Hạt HZE kích thích phân tử nước (chiếm ~70% tế bào) tạo ra các gốc tự do (free radicals) như OH•, gây tổn thương hóa học.

2. Cách tính toán liều từ HZE

Tính toán liều HZE không đơn giản như với tia gamma hay proton, vì tác động sinh học của chúng phụ thuộc vào năng lượng, loại hạt, và cách chúng tương tác với cơ thể. Dưới đây là các bước chính:

Bước 1: Đo thông lượng hạt (Particle Flux)

Thông lượng (Flux): Số hạt HZE đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian (đơn vị: particles/cm²/s).

  - Trong không gian sâu, thông lượng GCRs (bao gồm HZE) dao động từ 1-4 particles/cm²/s, tùy thuộc vào chu kỳ Mặt Trời (thấp hơn khi Mặt Trời hoạt động mạnh do từ trường Mặt Trời làm lệch hạt).

Công cụ đo: Máy đo tia vũ trụ (cosmic ray detectors) trên tàu vũ trụ hoặc vệ tinh, như AMS-02 trên ISS, cung cấp dữ liệu thực tế.

Bước 2: Xác định năng lượng và loại hạt

- Mỗi hạt HZE có phổ năng lượng (energy spectrum) khác nhau. Ví dụ:

  - Sắt (Fe) có thể mang năng lượng từ 100 MeV/n đến 1 GeV/n.

  - Năng lượng càng cao, khả năng xuyên thấu càng lớn.

- Dùng phổ kế (spectrometer) để phân loại hạt theo số khối (Z) và năng lượng.

Bước 3: Tính năng lượng truyền vào (Linear Energy Transfer - LET)

- LET: Lượng năng lượng mà hạt truyền vào mỗi đơn vị chiều dài đường đi trong vật chất (đơn vị: keV/µm - kiloelectronvolt trên micromet).

  - HZE có LET cao hơn nhiều so với proton hay tia gamma. Ví dụ:

    - Proton: LET ~ 0.2-2 keV/µm.

    - Sắt (Fe) tại 1 GeV/n: LET ~ 100-200 keV/µm.

- Công thức cơ bản:

Trong đó:

  - dE: Năng lượng mất đi của hạt.

  - dx: Độ dày vật chất hạt đi qua.

- LET cao nghĩa là hạt gây ion hóa mạnh, tạo ra nhiều tổn thương tế bào trong phạm vi nhỏ.

Bước 4: Tính liều hấp thụ (Absorbed Dose)

- Liều hấp thụ (D): Năng lượng bức xạ truyền vào 1 kg vật chất (đơn vị: Gray, 1 Gy = 1 J/kg).

- Công thức:

 Trong đó:

  - Φ: Thông lượng hạt (particles/cm²/s).

  - LET: Năng lượng truyền trên đơn vị chiều dài (keV/µm, chuyển sang J/m).

  - ρ: Mật độ vật chất (kg/m³, với mô người ~ 1000 kg/m³).

  - m: Khối lượng mô bị ảnh hưởng (kg).

- Ví dụ: Nếu 100 hạt Fe (LET = 150 keV/µm) đi qua 1 cm² mô người trong 1 giây, liều hấp thụ sẽ được tính dựa trên năng lượng tổng cộng.

Bước 5: Tính liều tương đương (Equivalent Dose)

- Liều tương đương (H): Điều chỉnh liều hấp thụ theo mức độ nguy hiểm sinh học của loại bức xạ (đơn vị: Sievert, Sv).

- Công thức:

  Trong đó:

  - D: Liều hấp thụ (Gy).

  - Q: Yếu tố chất lượng (Quality Factor), phụ thuộc vào LET:

    - LET < 10 keV/µm: Q ≈ 1 (như tia gamma).

    - LET 10-100 keV/µm: Q=1+0.32⋅LET−0.0032⋅LET^2.

    - LET > 100 keV/µm: Q ≈ 20 (tối đa cho HZE như sắt).

- Với HZE (LET cao), Q thường từ 10-20, nghĩa là liều tương đương cao gấp 10-20 lần liều hấp thụ.

Bước 6: Đánh giá liều hiệu quả (Effective Dose)

- Liều hiệu quả (E): Tính đến độ nhạy của các cơ quan khác nhau trong cơ thể (đơn vị: Sv).

- Công thức:

Trong đó:

  - Hi: Liều tương đương cho cơ quan i.

  - Wi: Hệ số mô (tissue weighting factor), ví dụ: tủy xương W = 0.12, da W = 0.01.

- HZE gây tổn thương toàn thân, nên liều hiệu quả thường gần với liều tương đương.

Ví dụ:

Giả sử một phi hành gia trong không gian sâu tiếp xúc với thông lượng HZE (sắt, LET = 150 keV/µm) là 0.01 particles/cm²/s trong 1 ngày (86,400 giây):

- Năng lượng truyền: 0.01 . 86,400 = 864 hạt qua 1 cm².

- Liều hấp thụ: 

  - Năng lượng mỗi hạt: 150keV/µm . 10,000µm/cm = 1.5 MeV/cm.

  - Tổng năng lượng: 864 . 1.5 . 10^6 eV = 1.296 . 10^9 eV.

  - Chuyển sang Joule: 1.296 . 10^9 . 1.6 . 10^{-19} = 2.07 . 10^{-10} J/cm².

  - Với 1 cm³ mô (~0.001 kg): D = 2.07 . 10^{-10} / 0.001 = 2.07 . 10^{-7} Gy.

- Liều tương đương: Q = 20, nên H = 2.07 . 10^{-7} . 20 = 4.14 . 10^{-6} Sv ≈ 0.00414 mSv/ngày.

Thực tế, HZE chỉ là một phần của GCRs, nhưng cộng với proton và các hạt khác, liều tổng có thể lên 1-2 mSv/ngày trong không gian sâu.

4. Khó khăn trong tính toán

- Phổ năng lượng phức tạp: HZE có năng lượng trải rộng, khó đo chính xác từng hạt.

- Tương tác thứ cấp: HZE va chạm với vật liệu tàu tạo ra neutron và tia gamma, làm tăng liều.

- Mô phỏng sinh học: Tác động của LET cao lên tế bào (như tổn thương DNA kép) chưa được mô hình hóa hoàn toàn chính xác.

- Dữ liệu thực tế hạn chế: Hầu hết số liệu dựa trên mô phỏng hoặc thí nghiệm trên Trái Đất (như tại máy gia tốc hạt).

5. Cách HZE gây tổn thương DNA

DNA là mục tiêu chính vì đây là phân tử mang thông tin di truyền, và tổn thương DNA có thể dẫn đến đột biến, ung thư, hoặc chết tế bào. HZE gây tổn thương qua các cơ chế sau:

a. Gãy đôi chuỗi DNA (Double-Strand Breaks - DSBs)

- Cơ chế: Do LET cao, HZE tạo ra nhiều ion hóa trong phạm vi rất nhỏ (vài nanomet), thường trùng với đường kính của chuỗi đôi DNA (~2 nm). Điều này dẫn đến gãy cả hai chuỗi DNA cùng lúc.

- Đặc điểm: 

  - Không giống tia gamma (chủ yếu gây gãy đơn chuỗi - SSBs), DSBs từ HZE phức tạp hơn, thường kèm theo nhiều tổn thương khác gần đó (clustered damage).

  - Ví dụ: Một hạt sắt (LET ~150 keV/µm) có thể gây 10-20 DSBs trên mỗi micromet đường đi trong mô.

- Hậu quả: DSBs khó sửa chữa hơn SSBs, dễ dẫn đến lỗi trong quá trình tái tạo DNA, gây đột biến hoặc chết tế bào.

b. Tổn thương cụm (Clustered Damage)

- Cơ chế: Đường ion hóa dày đặc của HZE tạo ra nhiều tổn thương trong một vùng nhỏ của DNA (trong phạm vi 10-20 cặp base). Ngoài DSBs, còn có:

  - Gãy đơn chuỗi (SSBs).

  - Tổn thương base (base damage) như oxi hóa guanine thành 8-oxo-G.

  - Liên kết chéo DNA-protein (DNA-protein crosslinks).

- Đặc điểm: Các tổn thương cụm này xảy ra gần nhau, làm quá trình sửa chữa DNA (như Non-Homologous End Joining - NHEJ hoặc Homologous Recombination - HR) bị quá tải hoặc sai lệch.

- Hậu quả: Tăng nguy cơ đột biến lớn (như mất đoạn nhiễm sắc thể) hoặc gây apoptosis (chết tế bào lập trình).

c. Hiệu ứng gián tiếp qua gốc tự do

- Cơ chế: HZE ion hóa nước trong tế bào, tạo ra gốc tự do như OH•, H•, và H₂O₂. Các gốc này phản ứng với DNA trong vòng vài nanogiiây, gây:

  - Phá vỡ liên kết hydro trong chuỗi DNA.

  - Oxi hóa base (ví dụ: thymine thành thymine glycol).

- Đặc điểm: Gốc tự do khuếch tán trong phạm vi ~10 nm từ đường đi của HZE, làm tổn thương lan rộng hơn so với ion hóa trực tiếp.

- Hậu quả: Tích lũy tổn thương gián tiếp làm tăng mức độ nghiêm trọng, đặc biệt trong môi trường thiếu oxy (như không gian).

d. Tác động lên cấu trúc nhiễm sắc thể

- Cơ chế: Nhiều DSBs hoặc tổn thương cụm không được sửa chữa dẫn đến sai lệch trong quá trình phân bào (mitosis), gây:

  - Đứt gãy nhiễm sắc thể (chromosomal aberrations).

  - Hoán vị (translocations) hoặc mất đoạn (deletions).

- Hậu quả: Tăng nguy cơ ung thư (như leukemia) hoặc rối loạn di truyền dài hạn.

6. So sánh với bức xạ khác

- Tia gamma/photon: LET thấp, tổn thương phân bố ngẫu nhiên, chủ yếu gây SSBs (dễ sửa chữa hơn).

- Proton: LET trung bình, gây ít DSBs hơn HZE nhưng vẫn nguy hiểm trong liều cao.

- HZE: LET cao, tổn thương tập trung, gây DSBs và clustered damage với hiệu quả sinh học lớn hơn (Relative Biological Effectiveness - RBE từ 10-20 so với tia gamma).

Ví dụ: Một hạt sắt (LET 150 keV/µm) gây tổn thương gấp 20 lần so với cùng liều năng lượng từ tia gamma.

7. Quá trình sinh học sau tổn thương

Khi DNA bị HZE làm hỏng, tế bào kích hoạt các cơ chế sửa chữa:

- NHEJ: Nối các đầu gãy của DSBs, nhưng dễ sai lệch với tổn thương phức tạp từ HZE.

- HR: Sửa chữa chính xác hơn, nhưng chỉ hoạt động trong giai đoạn sao chép DNA và không hiệu quả với clustered damage.

- Kết quả:

  - Nếu sửa chữa thành công: Tế bào sống sót, nhưng có thể mang đột biến.

  - Nếu thất bại: Tế bào chết (apoptosis) hoặc trở thành tế bào ung thư.

HZE đặc biệt nguy hiểm vì tổn thương phức tạp làm giảm tỷ lệ sửa chữa thành công, đặc biệt trong môi trường không gian (thiếu oxy, stress cao).

8. Tác động thực tế trong không gian

- Trên ISS: HZE đóng góp khoảng 10-20% liều bức xạ (0.5-1 mSv/ngày), nhưng ít gây tổn thương tức thì do liều thấp và từ trường Trái Đất giảm thông lượng.

- Không gian sâu: Liều HZE tăng lên (0.1-0.2 mSv/ngày từ HZE alone), đủ gây tích lũy DSBs trong sứ mệnh dài (như đi sao Hỏa, ~0.5-1 Sv tổng liều).

- Trong nghiên cứu: Thí nghiệm trên chuột tiếp xúc HZE (tại máy gia tốc) cho thấy tổn thương thần kinh (mất trí nhớ, giảm phản xạ) và tăng nguy cơ ung thư, tương tự dự đoán cho phi hành gia.

9. Tại sao HZE khó đối phó?

- Xuyên thấu mạnh: HZE xuyên qua lớp chắn thông thường (như nhôm), tạo bức xạ thứ cấp (neutron), làm tăng tổn thương.

- Tác động không đồng đều: Tổn thương tập trung ở vài tế bào dọc đường đi, khó dự đoán và phòng ngừa hơn bức xạ phân bố đều.

- Khó mô phỏng: Trên Trái Đất, chỉ máy gia tốc hạt (như tại NASA Space Radiation Laboratory) mới tái tạo được HZE, nhưng không hoàn toàn giống môi trường vũ trụ.

10. Xử lý HZE trong thực tế

- NASA: Dùng mô hình HZETRN (High-Z and Energy Transport) để dự đoán liều HZE trong các sứ mệnh.

- Che chắn: Tính toán liều giúp thiết kế lớp chắn tối ưu (như polyethylene hoặc nước) để giảm LET của HZE.

Tóm lại, HZE gây tổn thương DNA chủ yếu qua gãy đôi chuỗi (DSBs) và tổn thương cụm, với hiệu quả sinh học cao do LET lớn. Điều này làm tăng nguy cơ ung thư, tổn thương thần kinh, và chết tế bào, đặc biệt trong các sứ mệnh không gian dài hạn. Để bảo vệ phi hành gia, cần phát triển lớp chắn giảm LET (như hydro lỏng) và công nghệ sửa chữa DNA (như CRISPR), nhưng hiện tại vẫn là thách thức lớn.