השפעת קרינה מייננת על מערכות ביולוגיות

הרחבה

 עתיד המין האנושי תלוי ביכולת ההתרבות ושמירת התכונות לא רק בקרב האנשים אלא גם אצל החיות והצמחים, ובאופן כללי בכל המערכות המסוגלות להתרבות. המערכת החיה והנושמת אותה אנו מקבלים כמובן מאליו, התפתחה למצב של יציבות בשיווי משקל דינמי עם אינטרקציות צפויות עם צמחים וחיות, עם היצורים המיקרוסקופיים והמַקרוסקופיים, עם מזהמים סביבתיים וגורמים אחרים המשפיעים על בריאות המין האנושי. מול נזקי בני האנוש על הסביבה, קיימת גם אפשרות להשפעה של גורמים סביבתיים נוספים על שיווי המשקל האקולוגי. ההשפעה (והנזק) יכולה להתבצע בשני מנגנונים: האחד השפעות סביבתיות על זרעי הצמחים בתחילת התפתחותם, והשני, ע"י שינוי בית הגידול (מזון, מזג אוויר וסביבה) של האורגניזם או הזרע, דבר המקשה על המשך ההתפתחות של כלל הדורות.

למרות שיש דוגמאות רבות בו מינים שונים נכשלו במלחמת ההישרדות, העניין המרכזי שלנו הוא דווקא באותם מינים שעדיין שורדים, ובמיוחד על השפעת הקרינה המייננת על בית הגידול האנושי בכלל ועל הזרע והביצית והמקבילות הצמחיות שלהן בפרט.

לאור השימוש הגובר והולך בחומרים רדיואקטיביים כתוצאה ממדיניות האנרגיה והאטום במיוחד במדינות מתפתחות, חלה עליה משמעותית בסיכון לאנושות כתוצאה מנזקי זיהום סביבתי.

במצב זה יש צורך גם להטיל אמצעי פיקוח נאותים על אותם ממשלות המשתמשות בתהליכים מזהמים לסביבה. חלקן אינן נותנות עדיפות מספקת לבריאות האזרח העומדת מול דרישות האנרגיה ההולכות וגוברות. מן הדין להפעיל אמצעי ניטור בזמן אמיתי ואת התוצאות לספק לאותם אנשים או קבוצות המושפעים ישירות מהזיהום הסביבתי. במצב אידיאלי כזה, כל אחד יוכל לדעת את גורמי הסיכון אליהם הוא חשוף כדי שיוכל להימנע מהם ככל הניתן ולספק פתרונות בזמן אמת. לצורך כך יש גם לשנות את סדרי העדיפויות הלאומיים במטרה לבסס הסכמה רחבה למען שיפור איכות הסביבה.

הגדרות

1.                       ABCC - הוועדה לבחינת אבדן בנפש כתוצאה מפיצוצים אטומיים

2.                       חלקיקי אלפא – גרעין אטום הליום המורכב משני פרוטונים ושני נויטרונים בעל מטען חיובי כפול (++) המשתחרר מגרעין אטום כבד בתהליך פירוק גרעיני. חלקיק אלפא הוא החלקיק האטומי הכבד ביותר המשתחרר בתהליך רדיואקטיבי.

3.                       חלקיקי בטא -  חלקיק יסוד בעל מטען שלילי (-), המשתחרר בחלק מהתהליכים הרדיואקטיביים ומאסתו זהה למסת האלקטרון.

4.                       קירי Curie  יחידת מידה לרדיואקטיביות. קירי אחד = 37 מליארד התפרקויות בשניה.

5.                       דוזה של קרינה Dose   כמות האנרגיה המועברת לחומר כתוצאה מהתפרקות רדיואקטיבית. 

6.                       ראד (Rad)  = 100 ארג (ergs) לגרם . גריי (GRAY) = 100 ראד.

7.                       רֶאם (Rem) = ראד כפול פקטור המרה ביולוגיQ  (כאשר עבור הקרינה האלקטרומגנטית ערך זה קרוב ל1 וערכו נמוך משמעותית עבור החלקיקים בטא ואלפא)  (Rem = rad x Q)

8.                       קרינת גמא – קרינה אלקטרומגנטית באורכי גל קצרים מאוד המשתחררת כתוצאה מהתפרקות גרעינית.

9.                       קרינת אקס (X-ray)  קרינה אלקטרומגנטית באורכי גל ארוכים יותר מקרינת הגמא. נוצרת כתוצאה ממעברים אלקטרוניים בין רמות האלקטרונים באטום.

10.                   זמן מחצית חיים ביולוגי – הזמן הלוקח לגוף לסלק חצי מהחומר הרדיואקטיבי שהוזרק לגוף.

11.                   זמן מחצית חיים פיזיקלי – הזמן הנדרש מחומר לאבד מחצית מהפעילות הרדיואקטיבית שלו בתהליך התפרקויות.

12.                   אנרגית יוניזציה -  אנרגיה הנבלעת באטום או מולקולה נייטרלית המספיקה  בכדי לסלק אלקטרון אחד מהקליפות באטום.

13.                   קרינה – שחרור והעברת אנרגיה דרך תווך ריק או דרך חומר או רקמות. בד"כ הכוונה לקרינה אלקטרומגנטית המסווגת על פי אורכי הגל מהארוך אל הקצר: גלי רדיו, קרינה אינפרא אדומה, אור נראה, אולטרא סגול, קרינת X , קרינת גמא וקרינה קוסמית.

14.                   קרינת רקע טבעית – שחרור קרינה ממקורות רדיואקטיביים טבעיים שאינם מעשה ידי אדם. בעיקר אורניום, רדון, אשלגן ועוד להם נחשפים בעיקר כורי מחצבים.

15.                   קרינת רקע – שחרור קרינה מחומרים רדיואקטיביים טבעיים כחלק מתהליכים תעשייתים, למשל חומרים שהשתחררו מהכור יחשבו קרינת רקע לאחר שנה אחת.

תהליך הביקוע

כדי להבין את הטכנולוגיה הגרעינית והשפעתה על בריאות האנושות, יש להסביר שלושה תהליכים המתרחשים ברמה האטומית: ביקוע, הפעלה ויוניזציה.

תהליך הביקוע הוא תהליך בו אטום אורניום או פלוטוניום מתפצל. תהליך זה אחראי לשחרור תוצרי ביקוע וכן תוצרי הפעלה. אלא יוצרים מצידם יוניזציה של אטומים נורמלים, הגורמת לתגובת שרשרת של תהליכים מיקרוסקופיים העלולים להתבטא כסרטן.

תוצרי ביקוע גרעיני נוצרים בכורים גרעיניים בעיקר ובהם חומרים המשמשים כאבני בניין בגוף האדם. הצורונים הרדיואקטיביים הללו היו נדירים ביותר לפני שנת 1943 ונמצאו במקומות כמו דרום אפריקה שם חל תהליך ביקוע ספונטני לפני 1700 מליון שנה. כאשר אטום אורניום עובר ביקוע או פיצול, הוא לא מתפצל תמיד באותה דרך. 2 תוצרי הפיצול הנקראים פרגמנטים, הם מן הסתם בעלי משקל מולקולרי נמוך מזה של האורניום. כל חלק מקבל חלק מהגרעין וחלק מהאלקטרונים של האטום המקורי. כשמונים חלקים שונים נוצרים כתוצאה מהפיצול, לכל אחד מהם תכונות כימיות ייחודיות. אולם בנוסף, כתוצאה מהפיצול משתחררת קרינה מייננת בהם קרינת X , חלקיקי אלפא, חלקיקי בטא וכן קרינת גמא ונויטרונים. קרינות אלו יוצרות תהליך יוניזציה שהוא העפת אלקטרון ממסלולו אל מחוץ למסלולי האטום. למעשה נוצרים בכל אירוע שני יונים: האלקטרון בעל המטען השלילי, וכן האטום שנטען חיובית כתוצאה מאיבוד האלקטרון.

המבנה האטומי של תוצר ביקוע אינו יציב. האטום בשלב כל שהוא ישחרר חלקיקים אשר יביאו את האטום בחזרה מצב היציב.  כל שחרור כזה של אנרגיה הוא למעשה סוג של פיצוץ בקנה המידה המיקרוסקופי. בכל תהליך כזה משתחררים 2 –3 נויטרונים, אשר מצידם עלולים לפגוע שוב באטום אורניום 235 ולהתחיל ריאקצית שרשרת של ביקוע.

העצמה של תגובת השרשרת היא כזאת שמסוגלת ליצור תוצרים אקטיביים נוספים. כך למשל כימיקלים באוויר או במים סופגים כמות כזאת של אנרגיה שהם הופכים בעצמם להיות רדיואקטיביים, ואלו ישחררו קרינה מייננת במהלך חזרתם למצב יציב. כ 300 חומרים רדיואקטיביים נוצרים במהלך תגובת שרשרת ולוקח עד עשרות אלפי שנים עד שהחומרים חוזרים למצבם היציב.

בכור הגרעיני, תהליך ההיתוך מתרחש בתוך מיכל מסגסוגת מגנזיום עם זירקוניום אשר בתוכו מוכנסים מוטות הדלק הגרעיני. מרבית תוצרי הלוואי מתהליך הביקוע נלכדים במוטות אולם חלקם נוצרים באוויר ובמים וכן בצינורות המקיפות את המוטות.  לאחר שנים של פעילות, לא ניתן להמשיך את פעילותו ויש לפרקו כליל כדי לבודד את הפסולת הרדיואקטיבית.

לאחר גמר השימוש, מכילים מוטות הדלק המשומשים פסולת רדיואקטיבית בכמויות הגבוהות מאות אלפי מונים מזו של אבן הגרניט למשל. מוטות משומשים אלו מהווים סכנה גדולה לביוספירה מאחר והם פולטים קרינת גמא חזקה אשר רק מיסוך המורכב מים ולוחות עופרת מסוגלים למנוע סיכון לאדם. מגע ישיר עם מוטות אלו משמעותן מוות מיידי.  ניתן למחזר את המוטות המשומשים ע"י המסת המעטפת בחומצה חנקתית מרוכזת וניצול הפלוטוניום להכנת נשק גרעיני או כדלק בכורים אטומיים המותאמים לשימוש בדלק זה. את השאריות בהם לא ניתן לעשות שימוש, ממסים בנוזל ומאפסנים בחביות פלדה או פחם, בתקווה שימצא פתרון טוב יותר עם הזמן כמו קבורה בטוחה או מיצוק השאריות כחומר קרמי. חומר זה חייב להישמר בבטיחות מכסימלית למשך מאות אלפי שנים. חומרים פחות מרוכזים ניתן לקבור במקומות המיועדים לקבורת חומר רדיואקטיבי. לעומת זאת, בניסויי קרקע של נשק אטומי, אין כלל אפשרות להישמר מפני שחרור חומרים רדיואקטיביים לאוויר. גם בניסויים תת קרקעיים יש שחרור של חומרים רדיואקטיביים אם כתוצאה ממנגנון הפיצוץ היוצר מכתש פתוח או כתוצאה מחלחול גזים לכודים דרך הקרקע החוצה לאטמוספירה או כתוצאה מחלחול חומרים רדיואקטיביים למאגרי מים תת קרקעיים אשר משמשים כמי שתייה. מקור נוסף לחומרים רדיואקטיביים זה מים המוזרמים מצינורות הכור אל הים כאשר החומרים הנפלטים נשטפים חזרה אל החוף או מרעילים את הדגים המשמשים מזון.

ניתן לומר כי בסופו של דבר הכורים הגרעיניים משחררים לאוויר למים ולקרקע, חומרים רדיואקטיביים כמו יוד, גזים אצילים, פחמן רדיואקטיבי, מים, פלוטוניום וכן היסודות הנמצאות מעל האורניום בטבלה המחזורית הנוצרים במהלך הביקוע. אין ספק כי בשלב מוקדם או מאוחר, גם כל אותם חומרים שאוחסנו בחביות או במעבה הקרקע ישתחררו אף הם, כחלק ממנגנון הטבע למחזר את הקרקע באופן מחזורי, אלא אם כן החומרים יארזו מחדש מדי תקופה.  אותם חומרים רדיואקטיביים המשוחררים לביוספירה, מגיבים עם חומרים אחרים כדי ליצור תרכובות מוצקות ויציבות, או תרכובות מומסות או תרכובות בעלות פעילות ביולוגית. ואלו מן הסתם יכנסו למחזור החיים של האדם באופן ישיר או עקיף ויגרמו לנזק לא הפיך כמקורות קרינה מסוכנת. חומרים אלו יכולים להיות מחוץ לגוף ועדיין לגרום לקרינה מייננת או יכולים להיות מוכנסים לגוף עם המזון, השתייה או הנשימה ולגרום לקרינה מתוך הגוף שהיא הרבה יותר מסוכנת, וזאת מאחר וכמעט כל הקרינה נבלעת בגוף כאשר קרינה זאת פוגעת ישירות מטווח אפס בתאים החיים ובאיברים רגישים ועדינים. יותר מזה, הם יכולים להתרכז באיבר מסוים ולהקרין אותו איבר במשך זמן מושך ובכך לגרום לו נזק גדול יותר באופן יחסי לשאר האיברים. ברפואה גרעינית למשל, בוחרים סמנים רדיואקטיביים שתכונתם הדומיננטית היא זמן מחצית חיים גרעיני ומטבולי קצר ביותר ומופרשים עם השתן תוך שעות. גז הרדון למשל, ממנו נפגעים בעיקר כורים במכרות אורניום, מתפרק במהלך חייו ליסודות בת כמו עופרת אשר מלבד היותה מקרינה, היא גם רעילה מבחינה ביולוגית לגוף. חומר זה ידוע כגורם נזק למוח גם אם אינו רדיואקטיבי. כך גם הפלוטוניום אשר תכונתו להקשר לעצמות בדומה לחומר הטבעי רדיום. אולם הפלוטוניום להבדיל, נמצא דווקא על שטח הפנים החיצוני של העצם, ומאחר ומנגנון ההקרנה מבוסס על שחרור חלקיקי אלפא, הנזק שנגרם לתאים הסמוכים לעצם גדול ביותר, בעוד שהרדיום חודר לתוך העצם באופן הומוגני ובכך יורדת מידת הנזק שנגרם מחלקיקי האלפא.  זה הופך את הפלוטוניום בגלל מנגנון הפעולה שלו, לחומר הרבה יותר מסוכן מבחינה ביולוגית ביחס לרדיום. רמת הפלוטוניום המותרת היא לכן מאוד נמוכה אולם עדיין יש ממצאים המצביעים על נזק גבוה מהצפוי עבור חומר זה. הבלתי צפוי שנגרם כתוצאה מחשיפה לפלוטוניום. לחומר הרדיואקטיבי השפעה בהתאם למיקום בו הוא נאגר בגוף. כך למשל חומר רדיואקטיבי הנמצא בעצם גורם לסרטן מח העצמות אולם חומר הנמצא בריאות גורם למחלות כלי הנשימה. חשיפה לקרינה מחומרים רדיואקטיבים דומה מבחינת הנזק לחשיפה לקרינה טבעית אולם זאת מאיצה את תהליך הזדקנות הגוף עוד יותר.

עצמת החדירה של חלקיקים רדיואקטיבים לתא החי

תוצרי ביקוע גרעיני, פעילים או לא פעילים ביולוגית, גורמים שפגיעה בגוף החי גם כשהם מחוץ לגוף וגם כשהם בתוכו. קרינת  וקרינת גמא הם פוטונים, ז"א קרני אור מאוד אנרגטיות. כאשר הם מוקרנים ממקור חיצוני כמו רדיום או קובלט, הן בקלות רבה חודרות את גופנו, ומכאן הן נקראות קרינה חודרת (Penetrating Radiation). הפציינט מוגן בסינר עופרת דקה כדי להגן על אברי הרבייה בשעת ההקרנה, ואילו טכנאי הרנטגן מוגן ע"י לוח עופרת עבה כדי להגן על גופו מחדירת הקרינה. בגלל שעומק חדירת הקרינה תלוי בצפיפות החומר הנמצא במסלול הקרינה, ניתן לנצל תכונה זאת לשם הדמיה רפואית של הגוף, בעיקר צילום רנטגן של העצמות וכן צילום איברים רכים בתוספת תמיסה ניגודית. כאשר העצמות בולעות את הקרינה, לא מגיעה קרינה את הלוח הרגיש לקרינה ולכן האזור המוצל יישאר לבן על הפילם הצילומי. קרינה "קשה" החודרת בקלות עצמות אנה שימושית בדיאגנוסטיקה רפואית בגלל חוסר היכולת להבדיל בין הרקמות הצפופות והרקמות הרכות, התמונה תצא רכה מדי ללא ניגוד המאפשר להבחין בין העצמים. לאחר הקרנת הפציינט, לא נשארת כל קרינה כמובן בגוף, אולם הנזק שהקרינה גורמת במעברה בגוף נשאר. ישנם מקורות רדיואקטיבים אשר משחררים קרינת בטא שהיא קרינת חלקיקי אלקטרונים בעלי מטען שלילי. בגלל האופי של קרינה זאת שהיא קרינה חלקיקית, היא אינה מסוגלת לחדור את הגוף מעבר לעובי העור כפי שמסוגלת קרינת הרנטגן או הגמא. ביקוע של אטומים מסוימים גם מלווה בשחרור חלקיקי אלפא. הוא דומה לחלקיקי בטא אולם גדול ממנו בהרבה ובעל מטען חיובי כפול הזהה במסתו לגרעין אטום ההליום (גרעין המורכב משני פרוטונים ושני נויטרונים). לחלקיקי האלפא אנרגיה מאוד גבוהה, אולם למרות זאת יכולת החדירה שלהם נמוכה וזאת בגלל האופי החלקיקי שלהם בדומה להתנהגות חלקיקי הבטא. חלקיקי האלפא נבלמים על ידי העור אולם תוך כדי כך הם גורמים לנזק גדול לתאי העור. אולם כאשר חלקיקים אלו נכנסים לגוף אם ע"י נשימה או עיכול, הנזק שלהם חמור בהרבה בהשוואה לכל סוגי הקרינה האחרים, כך אם האדם נושם חומר המכיל חלקיקי אלפא והם חודרים לריאות, נוצר נזק משמעותי ביותר לריאות. פלוטוניום הוא חומר המשחרר קרינת אלפא ובניסיונות שבוצעו על חיות, ולא נמצאה שום כמות שהיא נמוכה מדי בכדי לא לגרום נזק לחיה שנשמה את החומר. בגלל עומק החדירה המוגבל שלהם, כמעט כל סוגי הגלאים לקרינה המצויים בבתי החולים, אינם מסוגלים לזהות הימצאות של קרינת אלפא בתוך גוף האדם.

פיצול אטום האורניום משחרר גם נויטרונים. אלו מהווים כעין קליעים עתירי אנרגיה ואשר מסתם היא רק רבע מזאת של חלקיק האלפא ופי 2000 בערך ממסת האלקטרון (חלקיק הבטא). אם ישנם אטומים בקיעים נוספים בקרבת הנויטרון המשתחרר, כמו אורניום 235 או פלוטוניום 239, הנויטרונים יפגעו בהם ויגרמו לאותם אטומים להתפצל תוך כדי שחרור נויטרונים נוספים, והרי תגובת שרשרת. זאת תהיה ספונטנית רק כאשר ריכוז האטומים הבקיעים הנו מספיק גבוה, מעבר למסה הקריטית. בפצצה אטומית טיפוסית הביקוע מהיר ביותר, אולם בכור גרעיני כל התהליך מבוקר ואיטי, וכדי למנוע תגובת שרשרת, משתמשים במים או בגז כדי להאט או לבלוע את הנויטרונים המשתחררים. נויטרונים המשתחררים מהכור יכולים לחדור לגוף האדם. הנויטרונים הנם אחד מתוצרי הביקוע המסוכנים ביותר, יש להם טווח קצר ובמהלך בלימתם הם יכולים ליצור תוצרים נוספים בעלי פעילות רדיואקטיבית אשר נקראים לכן תוצרי אקטיבציה.

הכנת וקביעת הסטנדרטים

המורכבות בקביעת הסטנדרטים הבריאותיים עבור חשיפה לחומרים רדיואקטיבים המשתחררים בתהליכי הביקוע, אינו מפתיע כלל ועיקר. בשלב ראשון יש להפריד את ההתייחסות עבור מקורות קרינה חיצוניים ומקורות קרינה הנמצאים כבר בתוך הגוף ומקרינים כלפי הסביבה. כמו כן יש לחלק את 2 הקטגוריות הנ"ל בהתאם לאיברים הנפגעים ביותר. האפקט הביולוגי של קרינת רנטגן על אגן הירכיים למשל שונה לחלוטין מהאפקט כתוצאה מחשיפה לקרינה דנטלית אפילו ומנת הקרינה לעור היתה זהה. פלוטוניום שמצא משכן בריאות גורם נזק שונה לגמרי מפלוטוניום השוכן באיברי הרבייה. בנוסף יש לקחת בחשבון התנהגות שונה (הנבדל באפקט הביולוגי על הגוף) על פי סוג הקרינה כמו קרינת אלפא, בטא, גמא או X, וכן האם אלו נמצאים מחוץ או בתוך הגוף. חשוב לשקלל גם את הרגישות השונה שיש לבני האדם בחשיפה לקרינה מייננת. כך למשל ישנם אנשים אשר בגלל תכונות תורשתיות מסוימות הם פגיעים יותר לקרינה מאשר האדם הממוצע, כמו כן עוברים ויילודים פגיעים אף הם יותר מבני אדם מבוגרים.

חומרת הנזק הבריאותי הנגרמת ממקור קרינה פנימי מותנה במאפיין הביולוגי של אותו מקור קרינה, עומק החדירה של הקרינה ומשך הזמן בו המקור צפוי להישאר בגוף. צזיום רדיואקטיבי למשל, השוכן בשרירים צפוי להעלם לאחר תקופה של שנתיים, לעומתו, סטרונציום רדיואקטיבי המגיע לעצמות, יישאר שם לכל תקופת החיים ולכן נזק הקרינה יהיה חמור עשרות מונים. הזמן הנדרש לגוף כדי להיפטר ממחצית החומר הרדיואקטיבי נקרא זמן מחצית החיים הביולוגי. ישנם חומרים רדיואקטיבים שהשפעתם הבריאותית נצפית עוד באותו אדם שנחשף לקרינה אולם ישנם מקרים בהם נפגע הזרע או הביצית מן הקרינה וכתוצאה מכך  השפעת הקרינה נצפית רק בבניו או בנכדיו של האדם שנחשף לקרינה.

קרינת X, גמא או נויטרונים מסוגלים לגרום נזק לאדם גם אם הם מצויים מחוץ לגוף. קרינת חלקיקי בטא מחוץ לגוף מסוגלת ליצור כוויות חמורות לעור, אולם לקרינת אלפא השפעה מזערית יחסית כאשר היא נמצאת מחוץ לגוף. הנזק הגבוה ביותר מושג כאשר הקרינה מגיעה ממקורות רדיואקטיבים הנמצאים בתוך הגוף אם ע"י נשימה או ע"י בליעה, אז האנרגיה הנבלעת מסוכנת יותר מאחר והיא נמצאת בטווח מגע עם תאי הגוף העדינים. הבעיה היא שהגוף אינו מבדיל בין החומרים ה רדיואקטיבים ובין הכימיקלים הרגילים ושניהם מוכנסים לתוך מעגל חילוף החומרים של הגוף במידה שווה. החומרים נשארים בגוף עד כאשר הם מופרשים עם השתן או הצואה או עד שהם מתפרקים לחומרים אחרים ו/או דועכים. כך למשל פחמן רדיואקטיבי מתפרק לחנקן.

שיטת הזיהוי הנפוצה ביותר עבור חומרים רדיואקטיבים מסוג אלפא או בטא המצויים בגוף מבוצעת ע"י בדיקת השתן או הצואה, אז הקרינה החלקיקית ניתנת לזיהוי ישיר באמצעות גלאים.

בתוך התא החי

המצב בתא כאשר הוא מוקרן בקרינה מייננת קרוב ל"בלגן". קליעי אנרגיה פוגעים במולקולות בתא כאשר אלו גורמים לפגיעה באלקטרונים ויינון האטומים עד להרס מוחלט של החומר הביולוגי ומותו של הסופי של התא.  פגיעות נוספות הנפוצות בתא הם איבוד יכולתו להשתכפל, נזק המשאיר אמנם את יכולתו להשתכפל אולם גורם לשינוי במבנה אחד ההורמונים או האנזימים הנוצרים בתא.עם הזמן התא משתכפל למיליוני תאים, כאשר שינוי תפקודי זה נשמר לכל התאים שנוצרו מהתא הפגוע. מנגנון זה נקרא מנגנון ההכפלה הביולוגי והוא אחראי למקצת המחלות הכרוניות הקשורים בעיקר לתופעת הזקנה. כאשר האזור ב DNA שנפגע הוא החלק האחראי על השכפול, על פיו התא נח לזמן מה בין חלוקה לחלוקה, התא מתחלק ללא הפסקה עד ליצירת מספר לא נורמלי של תאים במקום אחד, תהליך שבמהלכו נוצר גידול שיכול להיות ממאיר או שפיר. תופעה כזאת בתאי הדם הלבנים אופיינית ללוקמיה, ואילו התרבות לא מבוקרת של תאי דם אדומים נקראת polycythemia vera (מחלת ריבוי כדוריות דם אדומות). אם נזקי הקרינה מתרחשות בתא חיידק, זרע או ביצית, השינוי עובר כולו לצאצא וזה בתורו יצור תאי זרע או ביציות בעלות אותו פגם כך שהפגם הגנטי יעבור מכאן והלאה לכל הדורות הבאים. היכולת של הצאצאים הללו להתרבות יורדת עם הזמן עד שנעצרת סופית כתוצאה מעיקור או מוות. הרס או גידול לא נורמלי של התאים העובריים יכולים להביא ליצירת גידול במקום התינוק הנורמלי.

חשיפה לקרינה גם מורידה את פוריות האישה. קרינה מסכנת כמובן גם את העובר בשעה שהוא מתפתח ברחם, דבר זה מביא ליצירת פגמים מולדים לתינוק, לאו דווקא פגמים גנטיים. משמעות עובדה זאת שהנזק לא עובר בתורשה לדורות הבאים.

הנזק שנגרם לתאים ע"י שחרור אנרגית פוטונים או חלקיקי אלפא, בטא או נויטרונים, נוצר באופן לא ישיר ע"י תופעה המכונה "יוניזציה". כאשר הפוטונים או החלקיקים מואצים דרך התא החי, הם מעבירים אנרגיה לאלקטרונים של אותם כימיקלים המצויים בתא. אלקטרונים כאלו "נשברים" מהמולקולות אליהם הם קשורים, ומשוחררים לחופשי. ברמה המולקולרית זה דומה לכעין "פיצוץ אטומי" בזעיר אנפין. מבחינה אלקטרונית, אטום או מולקולה נויטרלים מתפצלים לשני חלקיקים: החלקיק הגדול שהוא טעון חיובי לאחר שאיבד אלקטרון, ואלקטרון בעל מטען שלילי אשר מסולק ממסלולו מסביב לגרעין האטום. אותם חלקיקים – החיובי והשלילי קרויים יונים ולתהליך קוראים יוניזציה.

הקומפלקס של המולקולות המרכיב את התא החי מורכב משרשראות ארוכות של אטומים המרכיבים את הפחמימות, החלבונים והשומנים, מרכיביהם העיקריים של התא. האטומים קשורים יחד בקשרים כימיים המבוססים על שיתוף של אלקטרונים. אם הקרינה מייננת מסלקת את אחד מאלקטרוני הקשר ממקומו, זה יכול להביא לשבירת שרשרת של אטומים תוך פיצול השרשרת למקטעים.

קרינה שפוגעת בחומר הגנטי, עלולה לקטוע את שני הגדילים של מולקולת הדי-אן-אי. תאים חיים, כלומר, גם חיידקים וגם תאים בגופם של בני-אדם, מסוגלים לתקן פגיעות ספורות בלבד בדי-אן-אי שלהם. חיידקים אחרים, למשל, מסוגלים לתקן רק שלוש עד חמש פגיעות בדי-אן-אי, בעוד שדיינוקוקוס רדיודורנס מסוגלת לתקן יותר ממאתיים פגיעות כאלה. יכולת התיקון המצוינת – ומעוררת הקינאה - של החיידק הזה, הביאה בעבר להעלאת השערה שלפיה החיידק המפתיע הזה מפעיל אנזימי תיקון יעילים במיוחד. אבל סדרת ניסויים הראתה שאנזימי התיקון שלו דומים מאוד לאלה שקיימים ופועלים בחיידקים אחרים.

בעזרת מגוון שיטות מיקרוסקופיות אופטיות ואלקטרוניות, מצאו חברי קבוצת המחקר של פרופ' מינסקי שהדי-אן-אי של דיינוקוקוס רדיודורנס מסודר בטבעת שאינה מאפשרת לחתיכות שבורות של די-אן-אי להתפזר בנוזל התוך התאי וללכת לאיבוד, כפי שקורה ביצורים אחרים, לרבות האדם. במלים אחרות, "שר הטבעות" הזעיר אינו מאבד חומר גנטי, ואינו מניח לחלקים ממנו להתפזר. גם כאשר החומר הגנטי שלו נשבר למקטעים זעירים כתוצאה מקרינה רבת עוצמה, הוא מקפיד לשמור על כל המקטעים במקומותיהם הקבועים, במבנה של טבעת צפופה והדוקה. לאחר מכן, אנזימי התיקון עוברים על הטבעת, "מלחימים" את המקטעים הגנטיים אלה לאלה ומחזירים את המצב לתיקנו.

"אנחנו האמנו שהמפתח לתעלומה לא יכל להיות בידי אנזימי התיקון, שגם הם נפגעים מהקרינה. לפיכך התחלנו לחפש את המקור לעמידות בתכונות אחרות של החיידק, עד שהבנו את המשמעות האמיתית של סידור החומר הגנטי בטבעת הצפופה", אומר פרופ' מינסקי.

במחקרי המשך מצאו המדענים שתהליך תיקון הדי-אן-אי של "שר הטבעות" מתנהל בשני שלבים. בשלב הראשון הדי-אן-אי עובר תהליכי תיקון במסגרת הטבעת, אבל לאחר מכן הוא מבצע פעלול עוד יותר מפתיע. דיינוקוקוס רדיודורנס הוא יצור חד-תאי המחולק לארבעה "חדרים" נפרדים. כל חדר מכיל העתק של הדי-אן-אי שלו. קבוצת המחקר של פרופ' מינסקי מצאה שני מעברים זעירים המחברים את ארבעת החדרים. מעקב מדוקדק אחר תהליך התיקון העלה שלאחר כשעה וחצי של תיקון בתוך הטבעת, מתחיל השלב השני של התיקון: הדי-אן-אי משתחרר ממבנה הטבעת ונודד לחדר הסמוך, שם הוא מתאחד עם העתק הדי-אן-אי השוכן שם. בשלב זה מנגנוני התיקון ה"רגילים", הקיימים בבני-אדם וביצורים אחרים, מתחילים לפעול: אנזימי תיקון משווים בין שני העתקי החומר הגנטי, כשהם משתמשים בכל אחד מהם כבגיבוי למידע החסר בשני. מאחר שהדי-אן-אי כבר עבר את השלב הראשון של התיקון, שבמהלכו תוקנו שברים רבים, השלב השני מבוצע בקלות יחסית.

מציאת האריזה הטבעתית הצפופה גרמה לתמיהה רבה בקבוצתו של פרופ' מינסקי: כיצד מסוגל יצור כלשהו לתפקד כשהחומר הגנטי שלו ארוז באריזה כל כך הדוקה? כדי לבצע את תפקידם העיקרי, גדילי הדי-אן-אי חייבים להיפרם ולאפשר היווצרות של אר-אן-אי שליח שהוא השלב הראשון בדרך לייצור חלבון. אבל איך הם יכולים להיפרם כאשר הם ארוזים בהידוק כה רב עד שכמעט אינם מסוגלים לזוז? שאלה זו הובילה לחשיפת טכניקת הישרדות נוספת של החיידק: מתוך ארבעת ההעתקים של הדי-אן-אי המצויים בכל חיידק כזה, תמיד יש שניים או שלושה המצויים במבנה טבעתי בעוד שהאחרים חופשיים לנוע. כך, בכל רגע נתון קיימים העתקי די-אן-אי היכולים להתבטא וליצור חלבונים, בעוד שהעתקים אחרים ארוזים בטבעת המהודקת, שאינה פעילה, אבל מעניקה לחיידק את עמידותו המופלאה.

פרופ' מינסקי ומדענים נוספים מאמינים שתכונותיו הייחודיות של "שר הטבעות", המקנות לו את יכולת העמידה וההישרדות שלו, התפתחו על כדור-הארץ כתוצאה מהסביבה הקשה שבה התפתח, באזורים יבשים במיוחד, שכמעט שום צורת חיים אחרת אינה מתקיימת בהם. כלומר, המנגנון שהתפתח כדי להעניק לחיידק יכולת עמידות בתנאי יובש קיצוניים, העניק לו גם כושר הישרדות בתנאים של קרינה חזקה.

הבנת הדרך שבה ארגון החומר הגנטי בטבעת הדוקה מספק יכולת עמידות בתנאים קשים, עשויה לסייע בהבנת מנגנונים להגנה על החומר הגנטי במערכות אחרות, דוגמת תאי זרע אנושיים ונבגים של חיידקים שונים – שגם הדי-אן-אי שלהם מאורגן בצורת טבעת. ועם זאת, למרבה הצער, אין לצפות שהממצאים יובילו להגנה על בני-אדם מפני קרינה רדיואקטיבית. "החומר הגנטי שלנו מאורגן באופן בסיסי בדרך שונה" אומר פרופ' מינסקי.