A kozmikus sugarak folyamatosan záporoznak a Földre, és bár nem igazán érzékeljük ezeknek a nagy energiájú részecskéknek a hatását, azonban a hidegháború kísérleti atomrobbantásai után kiderült, hogy a sugárzás nagy szerepet játszhatott az élővilág fejlődésében, különösen a kambriumi robbanásban.

A kozmikus sugárzás felfedezése elválaszthatatlan a radioaktivitástól, amely részecskék sugárzásával jár. A radioaktivitást 1896-ban Henri Becquerel francia tudós fedezte fel, amiért 1903-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat.

 1. ábra. Victor Hess felkészül a kozmikussugárzás észlelését célzó léggömb-repülésre (Forrás: Bill Breisky 2012).

Földünket folyamatosan bombázzák az űrből érkező nagy energiájú részecskék. A 20.század elején felfedezett jelenséget kozmikus sugárzásnak nevezték el. Ez a kutatás a fizika egyik legjelentősebb kutatási területei közé tartozott. A korabeli kutatók azt gondolták, hogy a forrás a Föld belsejében keresendő. A feltételezés ellenőrzésére 1910 és 1913 között több kísérletet végeztek. Közülük a leginkább figyelemreméltó Victor Hess osztrák fizikus léghajón elvégzett kísérletei voltak (1. ábra) az 1911–13-as időszakban. Speciális elektroszkópokkal felszerelkezve tíz léghajós felszállást hajtott végre. Hess egészen 5 km-es magasságig emelkedett – nem csekély személyes kockázatot is vállalva. Észlelései szerint a magassággal a háttérsugárzás intenzitása először csökkent, majd újból növekedni kezdett. Egyik felszállását teljes napfogyatkozás idején hajtotta végre, ám a sugárzás intenzitása ekkor sem csökkent. Ez kizárta a sugárzás forrásai közül a Napot. Arra a következtetésre jutott, hogy a sugárzás forrása a Földön és a Napon kívül keresendő. Megfigyelései befejezésekor 29 éves volt, eredményeiért 1936-ban nyerte el a Nobel-díjat.

A sugárzás természetét az 1920-as évtized végén Bothe és Kolhörster Geiger-számlálókkal végzett megfigyeléseikkel tisztázták, kimutatva, hogy az ionizáló sugárzás elektromosan töltött részecskékből áll. Mai ismereteink szerint ionizált atommagok az összetevők, amelyeknek nagyjából 90%-a proton, 9%-a hélium, a maradék pedig különböző nehéz magokból áll. A kutatók a kozmikus sugárzásra hamarosan égi ajándékként tekintettek, amelynek révén az 1930–40-es időszakban lehetővé vált a magfizikai kölcsönhatások alaposabb megértése és megkezdődött a részecskefizika kialakulása. Az antianyag első képviselője, a pozitron megfigyelésére Anderson és Neddemayer 1932-ben kozmikus sugárzásnak kitett, mágneses térbe helyezett ködkamrát használt. Az 1940-es évek második felében ezt követte a pionok és a müonok létezésének kimutatása: azonosították a kozmikus sugárzás hatásának kitett emulziós fotolemezeken hagyott nyomukat. Később követte ezt a K-mezonoknak, a hiperonoknak és más részecskéknek a gyorsítós ütközési technika kialakulását megelőző felfedezése. Azonban a kozmikus sugárzás eredete továbbra is ismeretlen volt, egészen a 20. század közepéig.

A kozmikus sugárzás energiaszintje

A kozmikus sugárzás java része fénysebességgel, vagy ahhoz közeli sebességgel – vagyis relativisztikusan – halad, valamint energiájuk jóval nagyobb nyugalmi energiájuknál. A GeV (giga­elektronvolt) tartománytól egészen a 10²⁰ eV energia fölötti tartományig 11 nagyságrendet átfogó energiaintervallumban érkeznek részecskék. A Föld légkörébe másodpercenként és négyzetméterenként nagyjából 1000 részecske érkezik az alacsonyabb energiák tartományában, míg kevesebb mint egy részecske érkezik négyzetkilométerenként 100 év alatt a spektrum ultranagy energiájú szélén (Mészáros P. 2012).

A sugárzás kémiai összetétele a 10⁹–10¹⁵ GeV tartományban nagyjából megfelel a Napénak. A 10¹⁵ eV energia feletti részecskék forrásai és az extrém nagy energiát eredményező mechanizmus jóval kevésbé tisztázottak. Annyi azonban biztos, hogy 10^18,5 eV felett az ultra nagy energiájú sugárzás összetételében fokozatosan nő a nehezebb komponensek részesedése. A sugárzás 40–50%-ban Fe magokból áll, illetve a közbülső C, N és O magok nagyobb hányadot is alkothatnak. Ezekben az esetekben csak a legnagyobb fényerejű, és nagy teljesítményű források jöhetnek szóba. Ilyenek az aktív galaxisok „fler”-jeinek vagy a rövid gamma-kitöréseknek a részecskesugarai, esetleg a kivételesen nagy energiát felszabadító szupernóvarobbanások, a hosszú gamma-kitörések során létrejövő, ún. „hipernóvák” (Mészáros P. 2012) (egy nagy tömegű csillag „halála”, amely során fekete lyuk képződik) (2. ábra).

 2. ábra Egy csillag robbanása, amely ha alacsony tömeggel rendelkezik rövid gamma-kitörést produkál, ha nagy tömegű, akkor hosszú gamma kitörést, ún. hipernóvát produkál (Forrás: Khokhlov–Höfler 2002)

Kozmikus záporok a Földön

A Földre érkező kozmikus záporok nagy felületen terülnek szét, amint az 1930-as években a francia Pierre Auger mérései már bizonyították. Ő egymástól 300 méterre eltávolított detektorokban észlelt egyazon záporhoz tartozó részecskéket, és a kiterjedt légi zápor elnevezést adta a közel egyidejűleg beérkező részecskecsoportnak. E kiterjedt záporok szerkezetét az 1930-as és 1940-es évtizedben számosan, köztük Walter Heitler és Jánossy Lajos (3. ábra) is vizsgálták. Azt találták, hogy két összetevője van. Az egyiket könnyebb részecskék (elektronok, pozitronok, fotonok, müonok és neutrínók) elektromágneses kaszkádja alkotja, amelyet a keletkező töltött részecskék (a töltött leptonok) elektromágneses sugárzása révén észlelnek.

 3. ábra A Központi Fizikai Kutató Intézet vezetősége az ötvenes években. Középen Kovács István az Intézet vezetője, balról Jánossy Lajos, jobbról Simonyi Károly igazgatóhelyettes (Forrás: Simonyi Károly 1978)

A másik komponenst erősen kölcsönható részecskék (hadronok) alkotják, amelyek részben a magütközések maradványdarabjai, meg pionok és nehezebb elemi hadronok. Bomlástermékeik, amelyek között sok a müon, elérik a Föld felszínét.

A kozmikus sugárzás nagy energiájú összetevője az atmoszféra felső rétegein áthatolva másodlagos részecskéket kelt, a kis energiájú komponens pedig ionizáció réven veszíti el energiáját. A kozmikus komponensből származó dózis átlagos értéke 0,3 mSv.a^-1. Mérhető mennyiségben kilenc izotóp halmozódik fel, ezek közül kettő stabil (³He, ²¹Ne), és hét radioaktív (¹⁰Be, ²⁶Al, ³⁶Cl, ¹⁴C, ³⁹Ar, ⁴¹Ca, ³²Si). Az elsődleges részecskékre csak a másodlagosakból származtatott közvetett információkat nyerhetünk (4. ábra).

 4. ábra Kozmogén izotópok keletkezése a légkörben (Forrás: Wagner 1998)

Mind a legtöbb radioaktív izotópnak, így a másodlagos vagy szekunder sugárzásban létrejövő elemeknek is van felezési ideje, amely alatt azt értjük, hogy adott számú radioaktív atom fele elbomlik, stabilissá válik, vagy belőle újabb instabil elem, úgynevezett leányelem keletkezik.

Ha adott időpontban (t=0) a radioaktív magok száma N₀, akkor t idő elteltével

N=N₀ ^. e^-λt,                                                                                                                (1)

olyan atommag van, amely még nem bomlott el. Itt λ annak a valószínűsége, hogy az atommag bomlása egy időegység alatt bekövetkezzen. λ a felezési idővel λ=ln2/T_1/2 összefüggéssel van kapcsolatban. A felezési idő minden radioaktív bomlás saját, jellemző tulajdonsága.

A felezéshez szorosan kapcsolódik az aktivitás is, amely alatt azt értjük, hogy hány bomlás következik be 1 másodperc alatt. Az aktivitás mértékegysége a Becquerel: 1 Bq=1 bomlás/másodperc.

Az aktivitás és a felezési idő kapcsolata könnyen felírható. Minél több bomlás történik adott számú radioaktív atom esetén, annál hamarabb következik be a magok felének elbomlása. Vagyis az aktivitás fordítottan arányos a felezési idővel:

,                                                                                                        (2)

Itt A az aktivitás Becquerelben, N a radioaktív atomok száma, ln2 a 2 természetes alapú logaritmusa (ln2=0,6931), T_1/2 pedig a felezési idő.

A rövid ismertető után nézzük, hogy a kozmikus sugárzásban szereplő izotópoknak milyen felezési idői vannak:

1. táblázat A legfontosabb kozmogén izotópok felezési ideje (T_1/2, a) és bomlási állandója (λ, a^-1) (Forrás: Faure 1998).

Általánosságban a rövid felezési idő jellemzi az izotópokat és a kis gyakoriság a természetben.

A fajgazdagság és az instabil izotópok

A fossziliákból azonosított tömeges kipusztulások többsége összefüggésbe hozható egy-egy aszteroida becsapódással vagy a vulkanikus tevékenység fokozódásával, számos eset azonban mind a mai napig vita tárgyát képzi (pl. kambriumi robbanás vagy az ordovíciumi kihalás). Számos kutató szerint egy közeli csillagászati esemény drasztikusan megnövelheti a Földet érő sugárzás mennyiségét.  Egy 30 fényévnyire bekövetkezett szupernóva robbanás könnyedén megugraszthatja a bolygónkra eső sugárzás szintjét, ami közvetlenül, vagy közvetve számos faj pusztulását eredményezheti.

Mintegy 600 millió éve fordulópont következett be az élővilág fejlődéstörténetében. A felgyorsuló evolúciós eseményekkel kifejlődő bámulatos formagazdagság, az élőlények növekvő komplexitása vonzza a kutatókat az egyes folyamatok pontosabb leírására, a még hiányzó láncszemek keresésére, a változásokat kiváltó okok értelmezésére.

Mi tette lehetővé 600 millió évvel ezelőtt az élővilág robbanásszerű fejlődését? Erre a kérdésre nehéz teljes választ adni. Bizonyára sok tényező játszott szerepet ebben a folyamatban. Egyes kutatók szerint a gyorsuló fotoszintetizálódás miatt megnövekedett oxigén szint kiemelkedő szerepet játszott benne. A Pastour-szint fölé emelkedett az oxigénszint, így tovább erősödött az élőlényeket védő ózonpajzs.

Az egyszerű vagy primitív élet meglehetősen gyorsan alakult ki a Földön, s ezután a leletek tanúsága szerint külsőleg szinte alig fejlődött. Csaknem 3 milliárd éven át mikroszkópikus méretekben maradt a tengerekben, aztán néhány százmillió év alatt az egész Földet benépesült változatos élőlényekkel.

Franco Ferrari (Ferrari–Szuszkiewicz, 2009) a lengyel Szczecin Egyetem kutatója szerint, hogy a korai Föld organizmusai olyan DNS-eket birtokoltak, amik instabilak voltak és könnyedén mutálódtak a külső tényezők hatására, valószínűleg sokkal könnyebben, mint a jelenkor baktériumainak DNS-e. A legragyogóbb példa erre a kambriumi robbanás, miszerint a robbanást közvetlenül megelőző kort nagy geokémiai ingadozások jellemzik, például a szén (¹⁴C, kozmikus nukleidok) és a kén (³⁴S, elsősorban szulfátredukáló anaerob baktériumok) különböző izotópjainak előfordulási arányaiban (Jago–Haines 1998).

Régen nem csupán a biológia lehetett érzékenyebb a mutációra, de a kozmikus sugarak is erősebbek lehettek, befolyásolva mind a Föld légkörét, mind az alatta meghúzódó életet. Az egyik sokat vitatott elmélet szerint a kozmikus sugarak növelhetik a felhők kialakulását. A felhősebb ég több napfényt ver vissza az űrbe, ami újabb változásokat eredményez az élővilág rendszerében. Ezt cáfolja egy másik elmélet, ami szerint a fokozott kozmikus sugárzás szinte pontosan egy ellentétes hatást idéz elő, elsöpörve a védelmet nyújtó ózon réteget a bolygót nagyobb UV sugárzásnak teszi ki, ami kedvezőtlen az élet számára.

Schrödinger (1987) véleménye szerint a mutáció egy ritka jelenség lehet, azonban leszögezte az éppen vizsgált ionsugárzásban 10 atom közül egy biztosan mutációt szenved. Példával is bemutatja tézisét, miszerint ha 50000 ion jut egy cm³-re a testrészen, akkor 1:1000 végződik mutációval.

Természetesen a mutáció sem játszódhat le teljesen ártalmatlanul, mindenképen szükséges egy határ érték, ami alatt a mutáció már káros az élet, ezen belül a fittnesszre (rátermettség). Ebben az esetben következik be az, hogy csak azok maradhatnak életben, akik elérik az élethez szükséges nívót, vagyis itt érvényesül a természetes szelekció elmélete. Szathmáry és Maynard Smith (2012) véleménye szerint a DNS replikációja során előfordulhat hibás másolás, de a képződő hibás példányokat kirostálhatja a természetes szelekció.

Azonban ha a genom mérete vagy a betűnkénti mutációs ráta a kritikus felső határ fölé emelkedik, hibás üzenetek halmozódnak fel. Ezt a határt pedig „hibaküszöbnek” nevezzük. Az a követelmény, hogy minden replikációs lépésben átlagosan legalább egy hibátlan másolat keletkezzen. Ha az üzenet n betűből áll, akkor egy betű másolásakor a hiba valószínűsége nem lehet nagyobb, mint 1/n. Vagyis ha egy genom ezer bázist tartalmaz, akkor bázisonként a mutációs ráta nem lehet 1/1000-nél nagyobb egy replikáció esetében. Természetesen ezek az eredmények enzimes replikációra vonatkoznak, a megfelelő enzim kialakulása előtt a genom maximális mérete mintegy húsz bázis lehetett. Napjaink mikrobiológiai kutatásai során megismerték, hogy az enzimekhez nincs szükség fehérjékre és transzlációs apparátusra, hiszen az RNS-molekulák maguk is lehetnek enzimek, így önmagukat replikálták (Szathmáry–Maynard Smith 2012). Persze ha egy genomban húsz bázis lehetett, akkor csökkenhetett hibaküszöb is. Ha kiindulunk abból, hogy ezer bázis esetén 1/1000, akkor húsz bázis esetén 1/20 vagyis nagyobb esély volt a mutációra a másolási enzimek előtti időkből.

Az ordovícium végi fajpusztulás

Az ordovícumról szólva furcsa lenne csak a kihalásról beszélni, az ordovíciumi radiáció nélkül. A kambriumi robbanás az ordovícium végéig továbbgyűrűzött, amely meredek diverzitásnövekedésben nyilvánult meg. A frissen kialakult Metazoa állattörzsek tovább fejlődtek, és egyre újabb és újabb ökológiai fülkék alakultak ki, amelyhez újabb élőhelyeket hódítottak meg és újszerű táplálkozási módot alakítottak ki.

Az ordovívium ősföldrajzi képe roppant kedvező körülményeket biztosított a diverzitás növekedéséhez. Az egyik ilyen körülmény volt a trópusi selfek elterjedése, amely tengeri élettér volt, és nagy számú fajt képes volt eltartani. A másik a szárazföldi provinciák szétdaraboltsága, amelyek endemikus fajok kialakulásának kedveztek. E kettő körülményen kívül a magas tengerszint is kedvezően hatott a fajgazdagságra.

Ez a felfelé ívelő tendencia tört meg az ordovícium végén, az ashgilli korban, valamint az idő két utolsó emeletében a rawtheyi és hirnanti korokban. E két korhoz köthető a kihalás csúcsa. A tengeri családok 26 % tűnt el.

A rawtheyi korban eltűnnek a graptoliták, a trilobiták, és a tengeri sünök nagy része. A hirnanti korban a korallok és brachiopodák jelentős hányada.

A rawtheyi és hirnanti korokra a nagy eljegesedés volt a jellemző, ezt jelzik a Dél-Franciaországban és a Szaharában is talált tillitek. Számos kutató a jégkorszakban keresi a kihalás fő okát, hiszen a jégsapka képződése során annyi víz fagy ki a világóceánból, hogy globális tengerszinteséshez (regresszió) vezet (Pálfy J. 2001). A regresszió pedig élettér beszűküléséhez vezet, tehát minden bizonnyal szerepet játszik a kihalásban.

A hirnanti elejét markáns pozitív ¹³C jellemzi, amely nagy valószínűséggel a megnövekedett szervesanyag betemetődés miatt került a tengervízbe.

A következőkben vizsgáljuk meg, hogy egy gamma kitörés, hogyan is befolyásolhatja a földi környezetet?

Az ózonkiürülés egy közeli gamma sugarú kitörés miatt is végbemehet, hiszen a sugárzás elnyelése a légkörben a nitrogén fotodisszociációját okozná nitrogénoxidot létrehozva, amely katalizátorként szolgál az ózon lebontásához. Bár ebben az esetben a sugárzás mindössze egyetlen másodpercig tart és az ózon néhány év alatt újratermelődik. Viszont e rövid időtartam alatt a Nap ultraibolya sugárzása akadálytalanul juthat a felszínig. A légkörünkben nagy mennyiségben jelen lévő oxigén és nitrogén molekulák atomokká bomlanának, de mivel erősen reakcióképesek ezért ismét egyesülnének, amelyek között lenne a szmog (nitrogén-oxid) is. Ez elsötétítené a légkört és ezáltal csökkenne a hőmérséklet. Amíg az ultraibolya sugárzás megtisztítaná a felszínt, egy új jégkorszak köszöntene be (például a rawtheyi és hirnanti korokban).

Egyes becslések szerint ilyen kitörés milliárd évenként egyszer fordul elő. Egyes feltételezések szerint a földtörténeti ordovicium–szilur korok határán bekövetkezett kihalást is egy ilyen kitörés eredményezte (Balázs L. et al. 2011).

Ezzel szemben egy közeli szupernóva kozmikus sugárzása (hipernóva) legalább 1000 éven át bombázza a bolygót.

Összességében megállapíthatjuk, hogy a gamma kitörés és a jégkorszak együttesen részben felelős lehet a kihalásért, hiszen az élet az ordovíciumban még csak a tengerekben volt, ahol a kiterjedt és összefüggő kontinentális selfeken gazdag életközösségek alakultak ki. A jégkorszak miatt beszűkült az élettér a selfeken, és egy gamma kitörés elsöpörte az ózon pajzsot, így akadálytalanul jutott be a Földre a napszél. A világóceán felső 10 m-re érvényes ez, mert addig hatolnak le a vizekben a káros sugarak, tehát nemcsak a jégkorszak miatt szűkült be az élettér, hanem a gamma kitörés miatt a tengerek felső 10 m-e. Ez azonban még mindig nem kielégítő, hiszen a graptoliták néhány faja mélyebb és hidegebb vizek lakója is volt. A továbbiakban is kiemelkedő, hogy választ találjanak a kihalás okára.

A megfigyelt kozmikus események

A kozmikus sugarak és a kihalások összekapcsolásához további kutatásokra van szükség. A Hubble-űrtávcső, a Swift, és a Chandra röntgentartományban dolgozó űrtávcsövek 2011. március 28-án detektáltak egy forró anyagtól származó intenzív sugárzást. A teljes kibocsátott energiamennyiséget a szakemberek a hasonló robbanások több ezerszeresére, akár milliószorosára teszik. A jelenség a Draco (Sárkány) csillagképben mutatkozott, a robbanás egy tőlünk 3,8 milliárd fényévre található galaxisban történt.

Egyelőre nincs biztos modell az esemény kialakulására, de a szakemberek elképzelhetőnek tartják, hogy egy olyan csillag anyaga felel a robbanásért, amely túlságosan közel került saját galaxisának központi, szuper-nagytömegű fekete lyukához.

Az ekkor fellépő árapályerők szétszakították a csillagot, majd annak anyaga elkezdett beáramlani a fekete lyukba. Az ott lezajló sajátos kölcsönhatások eredményeként a forró plazma egy része két gyors, közel fénysebességű anyagsugár formájában kilökődött.

Elméletileg hasonló esemény saját Galaxisunkban, a Tejútrendszerben is történhet. A Tejútrendszer centruma és az ott található szuper-nagytömegű fekete lyuk 30 ezer fényévre van a Földtől. Egy, a fentihez hasonló esemény katasztrófát ugyan nem okozna a Földön, de nem kizárt, hogy megnövelné a felszínt érő sugárzás mennyiségét, amelynek az életre is lehetne hatása.

A termonukleáris hidegháború 

A radioaktív sugarak élővilágra gyakorolt hatása a hidegháború időszakában is napirenden volt. Az Egyesült Államok és Szovjetunió által végrehajtott kísérleti termonukleáris robbantások során felszabaduló cézium-137 (¹³⁷Cs), stroncium-90 (⁹⁰Sr), és szén-14 (¹⁴C) rákos megbetegedést, vagy genetikai rendellenességet okozott az élővilágban.

Amerikai oldalról Linus Pauling, míg a szovjet oldalról Andrej Szaharov volt a szószólója a kísérleti atomrobbantások káros hatásairól. A sugárzás hatásairól legjobban Teller Ede 1962-ben megjelent írása passzol, miszerint

„Mivel ezek eltérnek a normáltól, első látásra visszataszítóak lehetnek. De ilyen abnormális születések és mutációk nélkül az emberi faj sem fejlődött volna ki, és mi nem lennénk itt.”

Teller Ede sokáig ellenezte a sugárzás káros hatásait, de a 60-as évektől kezdődően már Ő is kimondta, hogy káros az élővilágra.

A genetika és a fizika, valamint a biokémia ilyen irányú fejlődése egy komoly filozófiai problémát vet fel, mégpedig a termonukleáris fegyverek kifejlesztését, hiszen ha nem alkotják meg az atomfegyvereket és nem végeznek kísérleti robbantásokat, akkor nem tulajdonítottak volna a tudósok nagy jelentőséget a sugárzásnak az élővilágban. Ebből kiindulva megfontolandó, hogy ezeket a kémiai fizikai eseményeket bekapcsoljuk a földtörténeti kihalások eseményei közé.

Irodalom

• Balázs Lajos–Horváth István–Kelemen János: Gammakitörések. Fizikai Szemle, 2011, (11), 371 p.
• Edward Teller (Allen Brown köreműködésével): The Legacy of Hiroshima. Garden City, NY Doubleday & Co., 1962, 180-181.
• Franco Ferrari–Ewa Szuszkiewicz: Cosmic rays: a review for astrobiologist. Astrobiology, 2009, 9 (4), 413-436.
• Gunter Faure: Principles and Applications of Geochemistry (2nd Edition). Prentice Hall.
• Jago, J.B., Haines, P.W.: Recent radiometric dating of some Cambrian rocks in southern Australia: relevance to the Cambrian time scale. Revista Española de Paleontología, 1998,  115-122.
• Mészáros Péter: A kozmikus sugárzás 100 év után. Természet Világa, 2012, 143 (1).
• Pálfy J. Kihaltak és túlélők. Vince kiadó (2001), 222 p.                           
• Schrödinger, E.: Was ist leben? – R. Piper GmbH & Co. KG, München, 1987, 126 p.
• Szathmáry E.–J. Maynard Smith: A földi élet regénye. – Akadémiai Kiadó, 2012, 67-70.
• Valery N. Soyfer: Lysenko and the Tragedy of Soviet Science. New Brunswick, NJ Rutgers University Press, 1994, 267 p.
• Wagner, G.: Die kosmogenen Radionuklide Be-10 und Cl-36 im Summit-GRIP-Eisbohrkern, ETH-Zürich, Zürich.