تستخدم وعلى نطاق واسع أشعة جاما في تطبيقات التعقيم في الصناعات الطبية والصيدلانية والغذائية وتعقيم النفايات وذلك لقدرتها على قتل الأحياء الدقيقة.
ويتم تدمير الأنظمة الحيوية بفعل إشعاعات جاما عن طريقين هما:
التفاعل الغير مباشر والتفاعل المباشر (وهذان المصطلحان يطلقان لوصف تأثير أشعة جاما على مركبات منفصلة كالأنزيمات والأحماض النووية ولا يستخدمان لوصف التأثير على الكائن الذي نظامه الخلوي معقد التركيب الكيميائي كالخلية البكتيرية والفطرية).
التفاعل الغير مباشر يقصد به تأثير أشعة جاما المؤينة على جزيئات تتحول بعد امتصاصها لأشعة جاما إلى جزيئات أو جذور وإلكترونات تؤدي إلى إحداث تفاعلات كيميائية مدمرة للنظم الخلوية .يتحقق التفاعل الغير مباشر بتأثير أشعة جاما على المذيبات، ولما كان الماء هو المذيب الأساسي للنظم الحيوية فإن الأثر الغير مباشر ينتج بالتالي من نواتج تأين جزيئات الماء إشعاعياً حيث الجذور النشطة جداً والإلكترون المائي كما في المعادلة التالية:
H2O ---------> H2O+ + e
H2O+ --------> OH + H+
حيث اُقترح أن الجذر OH- يلعب أكبر أثر في التفاعل الغير مباشر وذلك بتفاعله مع الجزيئات الحيوية، أما الإلكترون المائي الحر فقد قللت بعض الأبحاث من دوره في تفاعلات الأثر الغير مباشر وفعّلت بعض الأبحاث دوره إلى درجة وضعه في مرتبة جذر الهيدروكسيل OH- في التأثير والمعادلات التالية توضح بعض التفاعلات الممكنة للجذور الطبيعية والإلكترون المائي المتولدة من تأين جزيء الماء إشعاعياً مع جزيئات مهمة خلوياً أو حيوياً:
تفاعلات استخلاص الهيدروجين:
R – H + H.----------->R. + H2
R – H + OH.---------->R. + H2O
تفاعلات الفصل:
R – NH3+ + e ---------->R. + NH3
R – NH2 + H.----------> R. + NH3
تفاعلات الإضافة R – CH = CH – R + OH.-------->RCHOH – CH. - R
كما أن نواتج التفاعلات السابقة يمكن أن تدخل في تفاعلات أخرى مهمة مثل:
تفاعلات الاستعادة غير الأنزيمية للجزيئات الأصلية المحوّرة بفعل نشاط الجذور المتحررة بعد تأين الماء إشعاعيا
R. + R - SH --------> R –H + R-S.
وتفاعلات إعاقة الاستعادة غير الأنزيمية للجزيئات الصلبة حيث يتفاعل جزيء الأكسجين (O2)مع الجذور المتكونة من تفاعلات استخلاص الهيدروجين والفصل وينتج من اتحاد هذه الجذور مع (O2) تكون بيروكسيد الجذر الأكثر ثباتاً وتحملاً للاسترداد، والتفاعل مع (O2) تفاعل نهائي غير عكوس
R.+O2------> R.+Peroxide
أما التفاعل المباشر فيقصد به التغير في الواقع الجزيئي للأهداف الخلوية من عضيات وجزيئات نشطة بفعل الأشعة المؤينة وليس بفعل جزيئات وجذور نشأت من تعرض جزيئات أخرى للأشعة المؤينة .
وغالبا يشار بعبارة الدمار الإشعاعي المباشر أو التفاعل المباشر إلى الأثر التدميري للأشعة المؤينة على المادة الوراثية للخلية لأنها أكبر هدف جزيئي في الخلية.
إن الـ(DNA) مكوّن من الجزيئات التي تحمل المعلومات الوراثية المعنية بالتضاعف والتجديد والانقسام وغيره من الوظائف المهمة خلوياً لذا فإن فقدها أو التأثير فيها يعدّ أمراً مؤثراً على بقاء الكائن وقدرته على الاستعمار، كما أن قدرة الخلية على الأيض قد تُفقد بسبب كسر الروابط وكسر السكر الفوسفاتي ودمار القواعد النيتروجينية.
ويمكن مجهرياً عند فحص الخلية أثناء انقسامها ملاحظة التغير في تركيب الكروموسوم نتيجة للتعرض لأشعة جاما، ولو شععت الخلية بعد انقسام الـ(DNA) فإن أحد الكروماتيدين قد يظهر عليه تغير لا متماثل.
ونستدل على دمار الـ(DNA) بفعل الإشعاع بالتالي:
- في الكائنات الحية البسيطة كالفاج(phage) والفيروسات عموماً توجد علاقة كمية بين دمار مادتها الوراثية وتوقف وظائفها الحيوية.
- في الكائنات الحية الأكثر تعقيداً كالبكتيريا فإن علاقة دمار الـ(DNA) بفقد الوظائف الحيوية يتضح أيضاً ولكن هذه العلاقة معقدة نوعاً ما.
- أن قدرة خلايا الأحياء الدقيقة على معاودة النمو بعد تثبيطه بالأشعة عائد إلى إصلاح دمار الـ(DNA).
- الكائنات الحية الدقيقة التي عرف عنها أن قدرتها على إصلاح الـ (DNA) ضعيف تظهر حساسية أكثر للإشعاع.
- الكائنات الحية الدقيقة تزداد حساسيتها للإشعاع إذا عوملت بمواد مؤثرة على قدرتها على إصلاح الـ (DNA).
- إن الـ (DNA) هو أكبر جزيء في الخلية.
إن ما ذكر عن تفاعلات الأثر المباشر وقدرته على التأثير على المادة الوراثية لا يعني أن تفاعلات الأثر الغير مباشر أو أن نواتج تحلل الماء بالإشعاع غير مؤثرة على المادة الوراثية بل قد يكون الـ (DNA) هدفاً لكلا التفاعلين.
وقد تبين من التجارب أن الدمار الذي يصيب الـ (DNA) يمكن في بعض الظروف إصلاحه وبعدة آليات تشمل الإصلاح الإنزيمي أو الاتحادات الوراثية الفيزوكيميائية والاسترداد الكيميائي وغيرها (Alpen, 1990) .
و يقسم الدمار الخلوي بسبب الأشعة المؤينة إلى ثلاث أقسام:
- الضرر القاتل (Lethal Damage) وهو الأثر الذي لا يمكن إصلاحه ويفضي للموت.
- الضرر شبه القاتل (Sub Lethal Damage) وهو الأثر الذي يمكن إصلاحه في الظروف الطبيعية ما لم يضاف عامل دمار قاتل أو شبه قاتل آخر.
- الضرر المحتمل القتل (Potentially Lethal Damage) وهو الأثر القاتل المتوقف على عوامل أخرى كالأكسجين ودرجة الحرارة ووجود مواد كيميائية وغير ذلك.
كما أن التأثير الإشعاعي يحصل على شكل أطوار كالتالي:
- فيزيائي سريع جداً، وأهم تفاعلات هذا الطور هو تأين الماء .
كيميائي ويقصد به التفاعلات الكيميائية للمنتجات الأولية للتأين وتستغرق تقريباً 10-أجزاء من الالف من الثانية.
- حيوي متأخر جداً ويقصد به السرطان أو الطفرات وتستغرق ساعة إلى عدة سنوات .
