I mutageni fisici: le radizioni

Le prime indicazioni che il materiale genetico potesse andare incontro a cambiamenti oltre che spontanei anche provocati dall'uomo di devono attribuire alla scoperta dei raggi X (Wihelm Conrad Rontgen, 1895) e successivamente all'esposizione ad essi di Drosophila malanogaster. Nella prima metà del XX secolo gli studi sulle mutazioni indotte da radiazioni sono proseguiti in modo intenso e i risultati ottenuti sono stati fondamentali non solo nelle ricerche di mutagenesi, ma anche per la comprensione di altri processi biologici alla base di numerose malattie umane.
STRUTTURA DELLA MATERIA
Come sappiamo, la materia è costituita da atomi, che sono gli elementi fondamentali che intervengono nelle reazioni chimiche. La struttura dell'atomo fa riferimento al modello di Niels Bohr (1913), secondo il quale l'atomo è costituito da un nucleo centrale e dagli elettroni che ruotano attorno ad esso. Il nucleo è costituito da particelle elettriche positive (protoni) e da particelle elettricamente neutre (neutroni). L'elettrone è una particella elementare non ulteriormente strutturata, caratterizzata da due parametri: la carica elettrica negativa (e-) e lo spin. Ai fini dell'interazione tra materia e radiazioni, interessa in modo particolare la distribuzione degli elettroni intorno al nucleo. Nel modello di Bohr essi sono distribuiti in orbite ben determinate e su ogni orbita sono posizionati due elettroni con spin differenti. La destabilizzazione dell'equilibrio esistente in questa complessa struttura atomica è la causa della produzione di radiazioni; infatti se un elettrone viene spostato o allontanato da un orbita viene a crearsi un vuoto che un elettrone di un'altra orbita rimpiazzerà immediatamente e così via. L'energia rilasciata da questa transizione di elettroni causa l'emissione di radiazioni, aventi frequenze corrispondenti alla differenza di energia di legame delle orbite interessate.
NATURA DELLE RADIAZIONI
Comunque, indipendentemente dalla loro origine, le radiazioni possono essere classificate come radiazioni elettromagnetiche o radiazioni corpuscolari. Le radiazioni o onde elettromagnetiche (OEM) sono caratterizzate dalla presenza di un campo elettrico e di un campo magnetico e i parametri che le caratterizzano sono:
la lunghezza d'onda (λ), definita come distanza alla quale l'onda ha due massimi;
la frequenza (f), definita come il numero di lunghezze d'onda che si collocano in un determinato intervallo di tempo (secondo);
l'intensità, che indica quante volte un campo è più intenso rispetto ad uno preso come riferimento;
la velocità con cui si propaga la radiazione (c).
La relazione intercorrente fra questi parametri è: λ=c/f. L'insieme delle radiazioni a qualunque frequenza (dalle onde radio alle radiazioni γ) viene chiamato spettro elettromagnetico. Solo una piccola parte dello spettro è rappresentato dalla luce visibile; la restante parte, anche se non visibile, ha le stesse caratteristiche fondamentali della luce.
In biologia, invece, per radiazioni corpuscolari si intendono i fasci di energia costituiti da particelle che hanno una massa a riposo diversa da zero (protoni, neutroni, ioni di atomi o di molecole). Ad esempio, gli isotopi radioattivi emettono radiazioni corpuscolari che sono pacchetti di energia noti come particelle α, β ecc.
INTERAZIONE DELLE RADIAZIONI CON LA MATERIA
Quando una radiazione ( sia elettromagnetica che corpuscolare) interagisce con la materia, la sua energia viene assorbita, in tutto o in parte, da quest'ultima attraverso il meccanismo dell'eccitazione e dalla ionizzazione. L'eccitazione di un atomo è una transizione semplice e reversibile di un elettrone da un'orbita a un'altra senza conseguenze per la stabilità del nucleo. La ionizzazione, invece, è la perdita definitiva, da parte di un atomo, di uno o più elettroni; l'atomo a cui sono stati sottratti uno o più elettroni è elettricamente carico e si definisce ione, e la radiazione che è in grado di provocare tale fenomeno si dice ionizzante. L'energia necessaria per causare la ionizzazione non può essere inferiore a un certo valore (differente per ogni tipo di atomo) e viene chiamata energia di ionizzazione. Se l'energia è inferiore al valore soglia si verifica unicamente il fenomeno di eccitazione dell'atomo. Se l'energia invece è inferiore a quella minima necessaria al trasferimento di un elettrone da un orbita a quella successiva, allora l'interazione tra la radiazione e l'atomo non determina effetti. Le radiazioni che hanno un valore di energia minore di 12,4 V sono chiamate radiazioni non ionizzanti, poiché esse non sono in grado di rompere il legame tra un elettrone e il nucleo, ma possono solo eccitare l'atomo. Inoltre, sia le radiazioni elettromagnetica che quelle corpuscolari possono trasferire la loro energia oltre che agli atomi anche a macromolecole, e in campo biologico si dice che sono ionizzanti se saranno in grado di superare l'energia di legame degli elettroni e di allontanare almeno un elettrone. Le radiazione che hanno gli effetti sopra menzionati hanno un energia superiore a 12,4 V e sono dette radiazioni ionizzanti. Gli elettroni strappati via dagli atomi o dalle molecole possono a loro volta, se dotati di sufficiente energia, ionizzare gli atomi o le molecole adiacenti, dando luogo, così, ad ulteriori ionizzazioni che vengono denominate ionizzazioni secondari, e gli elettroni così emessi si dicono secondari.