Polimerizáció, láncreakció: a járvány terjedésének kémiai és fizikai analógiái

Nincsen jövőnk tudomány nélkül, nincsen Qubit nélkületek. Támogasd a munkánkat!

A vírus nem gondolkozik, a vírusnak nincs akarata és nincsenek tervei sem, de van egy beépített programja, amely lehetővé teszi az alkalmazkodást. Ennek megvilágítására nézzük meg először azokat a kémiai és fizikai analógiákat, amely a járványokhoz hasonló módon működnek.

Gyökös polimerizáció

Kezdjük a kémiával! Ahol párhuzamos reakciók futnak végig, vajon melyik reakció lánc lesz a domináns? Példaként szolgáljon a gyökös polimerizáció jelensége. A reakció alanya telítetlen szénvegyület lehet. Ilyen az etilén, amelyben két szénatom kapcsolódik kettős kötéssel: CH2=CH2, vagy a propilén, ahol az egyik H atom helyén egy CH3 metilcsoport van, illetve a vinil-klorid, ahol egy klór. Ezek az összefűződő monomerek alkotják a polimereket, a PE (polietilén), a PP (polipropilén), vagy a PVC (polivinil-klorid) óriásmolekulákat. Az indításhoz kell egy R· szabadgyök, amely rákötődik a monomer kettős kötésére, új gyököt létrehozva:

R·   +   CH2=CH2   →   RCH2CH2·

Az indító gyököt nevezik iniciátornak. Ez az új gyök tovább támad, hozzákapcsolódva egy másik monomerhez:

RCH2CH2·   +   CH2=CH2   →   RCH2CH2CH2CH2·

Így épül ki lépésenként az óriási P· makrogyök. A vírussal való analógia abban nyilvánul meg, hogy a vírus is rákötödik egy sejtre, és azt átprogramozva saját maga sorozatgyártására kényszeríti. Persze a vírus nem kapcsolja össze a sejteket, csak saját szaporodásához használja fel őket. Ennél fontosabb különbség, hogy a polimerizáció során nem növekszik a gyökök mennyisége – eltérően az önmagát megsokszorozó vírustól. Sőt a gyökök száma csökken a folyamatban, egyrészt mert két makrogyök találkozásakor P· + P· = P2, a gyökök terminálódnak, vagy a gyök reagálhat olyan T molekulával, P· + T = PT·, amikor elveszíti reakcióképességét. 

Erre példa az oxigénmolekulával való reakció. Adagolható is ilyen tulajdonságú anyag, ezek az inhibitorok, amivel szabályozzák a polimerizáció menetét különböző tulajdonságú polimerek előállítása érdekében. A járvány fékezésének is megvannak az inhibitorai, ilyen a vakcinával való oltás, amikor beindítjuk a szervezet antitestjeinek képződését, vagy egyes gyógyszerek, amelyek a megtámadott szervezetben lassítják a vírusok szaporodási képességét. A polimerizációs folyamat a monomerek elfogyásakor leáll, ennek analógiája a járvány esetében, amikor kialakult a nyájimmunitás.

Nukleáris láncreakció

A járvány menetének fizikai analógiája, amikor láncreakció jön létre radioaktív anyagok bomlása során. A 235-ös uránizotóp (U-235) spontán bomlása két vagy három neutron kibocsátásával jár együtt, amelyek felbontanak további U-235 izotópokat, és kibocsátanak 2-3 újabb neutront. A neutronok egy része kiléphet az anyagból, de ha átlagban több mint egy továbbviszi a láncreakciót, az exponenciálisan növekvő neutronszám miatt nukleáris robbanás jön létre. Járványoknál ennek felel meg a reprodukciós ráta. Robbanásra akkor van esély, ha elég nagy a töltetben a radioaktív izotópok mennyisége, ami egy kritikus tömeg esetén valósul meg. Az atombombában ezt két szubkritikus tömeg összelövésével érik el, ahol a túl gyors szétválást nehezékekkel is lassítják. A járvány oka is a sokszorozódási képesség, amihez szintén tartozik kritikus tömeg: amikor zárt helyen sokan jönnek össze, beindulhat a gócképződés, ha van ott valaki, aki már korábban megfertőződött. Így szabadult el a járvány Dél-Koreában is egy vallási szekta rendezvénye után.

Atomreaktorokban természetesen el kell kerülni a robbanást, amiért szigorúan ellenőrzött szinten kell tartani a neutronok számát a láncreakcióban. Ennek két fő eszköze van, az egyik moderátorok alkalmazása. A radioaktív bomláskor kilépő neutronoknak ugyanis túl nagy az energiájuk, ami csökkenti a láncreakció hatásfokát. Emiatt lassító közegre van szükség: ezt a szerepet játssza el a víz, a nehézvíz vagy a grafitrudak. A kötegekbe helyezett fűtőelemrudak között átjutó, eredetileg gyors neutronok a moderátorokban lelassulnak, létrehozva a sokkal reaktívabb lassú (termikus) neutronokat. A moderátorok segítségével (például a vízbe bórsavat keverve, vagy grafitrudak által) szabályozni lehet a reaktorok teljesítményét, de a túlszaladás elkerülése végett neutronelnyelőt is lehet alkalmazni, amivel csökkentik a neutronok számát. Az atomreaktor működése során fokozatosan csökken a fűtőelemekben az U-235 részaránya a stabilabb U-238-hoz képest, de a teljesítmény a neutronmoderátorok révén mégis sokáig fenntartható. 

Járványanalógia

A járványok kialakulásában és az ellenük folyó küzdelemben sok a hasonlóság a fenti kémiai és fizikai folyamatok szabályozási mechanizmusaival. Vizsgáljuk meg, hogy mi az oka a járványhullámok kialakulásának! Az egyik a társadalmi válasz, a másik a vírus megváltozása, ha úgy tetszik alkalmazkodása a megváltozott körülményekhez. Nézzük először a társadalmi reakciót! Az ismeretlen új járvány sokkszerűen hat a társadalomra, ezért kezdetben a többség elfogadja a szigorú korlátozásokat, a maszkviselést, a távolságtartást, a karantént, a kijárási korlátozásokat, és a további módszereket a járvány terjedésének megfékezésére. 

Az intézkedések természetesen korlátozzák az egyének szabadságát, roncsolják a közösségek és családok összetartó szövetét, és visszavetik a gazdaságot is. Az első sokk elmúlásával és a járvány visszaszorulásával növekszik az igény a korlátozások megszüntetésére, és persze ott vannak a gazdasági érdekek is. Ezért eljön az enyhítések korszaka, ami nálunk épp a nyár beköszöntésével esett egybe. Nem tisztázott egyértelműen, hogy a meleg idő mekkora szerepet játszott az első hullám lecsengésében, de a tavaly ősszel beindult második hullám létrejöttében alapvető szerepük lehetett a járványügyi intézkedések enyhítésének. 

Vajon hány haláleset tulajdonítható az adriai nyaralásoknak? A nagy számú járványgóc kialakulása már nem lehetett nyomon követni a fertőzési láncolatokat. A második hullám ezért nagyságrendekkel több áldozatot követelt, mint az első. A társadalmi válasz ismét a szigorítás volt, amivel az év végére sikerült lefékezni a járványt, de az áldozatok száma még ekkor is magas maradt. Ekkor léptek fel az új mutánsok, először a brit (alfa), majd a béta (dél-afrikai), és a gamma (brazil) variáns. A harmadik hullám már alapvetően az új mutánsok megjelenéséhez kapcsolódik. A nagy gyógyszertrösztök lázas kutatómunkája hatékony vakcinák kifejlesztéséhez vezetett, és beindultak a világméretű oltási programok, legnagyobb mértékben Nagy Britanniában és Izraelben, de az oltási akció nálunk is sikeres volt. Az eredmény a harmadik hullám leszorítása volt, ami lehetővé tette a szigor enyhítését. Viszont új, még fertőzőbb mutánsok alakultak ki, így a delta (indiai), majd ennek delta-plusz változata, de jelenleg már lambda variánsról is hallani. Küszöbön áll a negyedik hullám.

Exponenciális szabály

De miért alakulnak ki az új, nagyobb fertőzőképességű mutánsok? Ez is a vírusok programjából következik. Minden újabb fertőzés megváltoztat valamit a vírus szerkezetében. A változás többnyire nem érinti a genetikai szerkezetet, ezért a fertőzőképesség és a betegség lefolyása eleinte nem sokat változik. Itt lép be a véletlen, ami időnként jelentősen megváltoztatja a vírus genomját. Ez a változás azonban véletlenszerű, akár csökkentheti is a fertőzőképességet, és enyhítheti a tüneteket. Ha így van, azt észre sem vesszük, mert ezek a mutánsok visszaszorulnak a vírusok közötti versenyben. Nem úgy a nagyobb fertőzőképességűek, amelyek fokozatosan kiszorítják a kevésbé fertőző vírusokat. Ahogy korábban a brit, most a delta mutáns van feljövőben.

A mutánsok kialakulásának esélye a fertőzések számához kapcsolódik. Az eddigi változatok ott alakultak ki, ahol sok volt a megbetegedés. De miért van az, hogy bár az USA-ban számoltak be a legnagyobb számú covid-megbetegedésről, ott nem jött létre mutáns? Ennek oka az lehet, hogy kritikus a fertőzési lánc hossza, mert a pandémia kialakulásától kezdve minden újabb fertőzés hatása egymásra rakódik, és így exponenciálisan nő az új mutáns kialakulásának esélye. Az USA-ban eddig bekövetkezett betegségek többsége a korábbi szakaszban jött létre, amikor még rövidebb volt a fertőzési lánc. Természetesen a párhuzamos láncok száma is számít, de ez csak arányosan növeli meg a mutáció esélyét. Indiában kezdetben alacsony volt a megbetegedések száma, de annál inkább megnőtt az utóbbi időben, amikor már hosszú volt a fertőzési lánc. A hosszú fertőzési láncok nagy száma pedig megnövelte az új mutánsok létrejöttének esélyét. 

Az exponenciális szabály viszont azt vetíti előre, hogy idővel újabb és újabb mutációk jönnek létre, ha nem sikerül leszorítani a fertőzések számát. További kérdés, hogy miként alkalmazkodik a vírus a vakcinához? Ez is a véletlen szerepével magyarázható. Ha az új mutáns nem tudja elkerülni a vakcina védő hatását, akkor nem fog elszaporodni, ellenkező esetben viszont dominánssá válhat. Hiábavaló lenne hát a vakcina? Természetesen nem, hiszen ha kevés olyan ember van, aki megfertőződhet, akkor kisebb az új mutáns létrejöttének esélye is. Ezért az immunizálás nem csak abban segít, hogy visszaszoruljon a járvány, vagy kevésbé súlyos betegség alakuljon ki, hanem az új mutánsok létrejöttét is késlelteti.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. Kalandozások a fizikában sorozatának korábbi írásai itttudósportréi itt olvashatók. 

Járvány, klímaváltozás, forradalmak – mindez csak három dermesztő arca annak a felbolydult világnak, ami ránk vár. Lesz még neki jó pár. Ha teheted, segítsd a munkánkat, mi megháláljuk a bizalmadat, és ebben a nagy zavarodottságban hitelesen, alaposan és közérthetően magyarázzuk el, hogy a legégetőbb kérdésekre milyen válaszokat adnak a sárgolyó legnagyobb elméi. Maradj velünk. Támogatom a Qubit szerkesztőségét!

Korábbi kapcsolódó cikkeink: