电离辐射会损伤蛋白质和DNA，但这种损伤在化学层面究竟如何起步，一直是辐射生物学关注的关键问题。德国电子同步加速器中心(DESY)自由电子激光科学中心(CFEL)首席科学家罗宾·桑特拉(Robin Santra)带领的研究团队，近日通过模拟进一步揭示了自由电子进入水中后引发的一系列微观变化。相关研究已发表在《物理化学快报》(Journal of Physical Chemistry Letters)上。
图示为水滴中自由电子的波函数及其周围水分子的排列。(图片：DESY，Mathilde Goullieux)
生物细胞中含有大量水，核酸、蛋白质等生命分子都处在水环境中。当伽马射线、X射线，或α粒子、β粒子等带电粒子穿过细胞时，会从分子中剥离电子。由于细胞内水分丰富，这些被释放出来的电子很容易被周围水分子包围，并由此带来后续影响。
桑特拉表示，与电离辐射造成的直接损伤相比，这些新释放电子注入细胞后产生的次生效应，对总辐射损伤也有相当大的贡献。研究团队模拟了一个电子突然出现在正常水团中的过程，发现其影响并不会立刻局限在某个点上。按照量子力学规律，电子无法在任意时刻被精确固定到单一位置，因此最初会以较强的离域状态影响大量水分子。
论文合著者、CFEL/DESY科学家卢德格·因赫斯特(Ludger Inhester)解释说，电子起初像是在水中“自由飞舞”，随后在与水分子的相互作用中，逐渐被限制到更小区域。通常会有五六个水分子围绕电子形成类似“笼状”的结构，将其与外部水分子隔开。令人意外的是，这个较小的影响范围能够维持相当长时间，电子最终会停留在这些水分子之间的空隙中。
研究还显示，自由电子与水之间的相互作用，很大程度上取决于电子最初注入水中的方式。论文第一作者、CFEL/DESY博士生纳撒尼尔·奥克帕拉(Nathaniel Okpara)表示，如果过剩电子最初的扩散范围较小，电子气泡形成的速度会明显加快。
这种由水分子形成的“水笼”虽然可能困住过剩电子，但也可能成为辐射损伤的起点。由于受电子影响的水分子数量减少，每个相关分子所承受的电子影响比例更高，这会进一步改变电子与附近其他分子的相互作用，其中就可能包括DNA等生命关键分子。
研究团队计划在更复杂的环境中继续考察这一效应，例如水中存在离子或其他化学物质时，自由电子会如何改变局部结构和反应过程。该研究也是汉堡大学卓越集群“CUI：物质先进成像”项目的一部分;水相关研究同样是正在DESY园区内以国际合作形式建设的分子水科学中心的重要方向。
