Biologiczne skutki promieniowania

Charakterystyka promieniowania

Najprościej rzecz biorąc promieniowanie jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość ( to strumień jąder atomów helu). Wyróżniamy dwie podstawowe grupy promieniowania: jonizujące i niejonizujące (naturalne i sztuczne). Do tej ostatniej m.in. zaliczamy: promieniowanie radiowe, mikrofalowe, podczerwone, a także światło widzialne. Promieniowanie jonizujące natomiast powstaje gdy od niestabilnego atomu odłączają się niektóre nukleony przy jednoczesnym wydzieleniu się energii. Nie każdy jednak pierwiastek jest zdolny do takiego rozpadu. Taką cechę posiadają jedynie izotopy, o nieodpowiedniej liczbie neutronów w jądrze.
Badając odchylenie emitowanego promieniowania w polu magnetycznym stwierdzono, ze można wyodrębnić trzy jego rodzaje. Nazwano je alfa, beta, gamma

Historia promieniowania

W 1900r. Niemiec - Otto Walkhoff jako pierwszy stwierdził, że pochodzące od radu promieniowanie radioaktywne może niszczyć tkanki biologiczne. Jak się okazało, rad emituje: promieniowanie alfa (ok. 75% ogółu promieniowania), które bardzo trudno daje się odchylać magnetycznie i jest absorbowane przez powietrze i ciała stałe; promieniowanie beta (ok. 20%), które zachowuje się podobnie jak promienie katodowe, ale jest bardziej przenikliwe; promieniowanie gamma (ok. 5%), które przenika nawet płytę stalową o grubości 10 cm. Jest ono fizjologicznie szczególnie niebezpieczne. Promieniowanie gamma zabija bakterie i powoduje oparzenia skóry.

Zainteresowało to Piotra Curie, który nie zważając na niebezpieczeństwo, natychmiast poddaje próbom swoje ramię. Wkrótce wystąpiło na powierzchni jego ręki uszkodzenie skóry, śledził je, badał jego rozwój. Uderzony zdumiewającą mocą tych promieni, zaczął badać wpływ radu na organizm zwierząt, współpracując w tym zakresie ze znamienitymi lekarzami: prof. Bourchardem i prof. Balthazardem. Po krótkim już czasie udało im się stwierdzić, że rad, niszcząc chore komórki, leczy: niektóre guzy i pewne formy raka. Ta gałąź lecznictwa otrzymała nazwę radioterapii, a lekarze francuscy (Doulos, Wickam, Dominci, Degrais i in.) pierwsi zaczęli ją stosować z dobrymi wynikami u ludzi, używając do tego tubek z emanacją radową.

Piotr Curie przykładając do swojego ramienia substancję promieniotwórczą zauważył, że skóra została zniszczona, a rana goiła się długo. Te obserwacje skłoniły uczonych do badania wpływu promieniowania na organizmy żywe.
W trakcie dalszych badań stwierdzono, że wpływ jaki na organizmy żywe, a więc i na człowieka, wywiera promieniowanie zależy od jego rodzaju, a także energii jaką z sobą niesie — wiemy, że mogą to być m.in. cząstki α, β, γ.
Trzeba przy tym pamiętać, że wpływ promieniowania na organizmy żywe może być negatywny lub pozytywny:

Negatywny, gdyż może powodować nieodwracalne zmiany w strukturze genów (prowadzące do pojawienia się mutacji), osłabienia układu immunologicznego, a w rezultacie zakłócenia podstawowych funkcji organizmu, a także wywoływać powstanie nowotworów (szczególnie nowotworów krwi — białaczka);

Pozytywny, bo nauczono się nie tylko, jak chronić organizmy przed skutkami nadmiernego napromieniowania, ale także w jaki sposób je wykorzystywać, np. do leczenia chorób nowotworowych i diagnostyki medycznej i przemysłowej oraz jako ogromnego i niewyczerpywanego źródła energii.

Źródła promieniowania

Przez całe życie jesteśmy narażeni na wprawdzie niezbyt intensywne, ale systematyczne oddziaływanie promieniowania na nasz organizm. Różnice w dawkach tego promieniowania zależą od miejsca pobytu i składu mineralnego gruntu oraz wysokości nad poziomem morza.

Źródła promieniowania możemy podzielić na dwa rodzaje: naturalne i sztuczne.

Na naturalne źródła promieniowania, emitujące tzw. promieniowanie tła, składają się:

1. Promieniowanie kosmiczne (odkryte w 1912 roku) - strumień cząstek dobiegających do zewnętrznych warstw atmosfery Ziemi z przestrzeni kosmicznej

2. Promieniowanie ziemskie, związane z występowaniem w skorupie ziemskiej i glebie naturalnych izotopów promieniotwórczych (w dużym rozproszeniu).

3. Promieniowanie w budynkach, spowodowane użyciem nieodpowiednich materiałów budowlanych, na przykład granitów, dodawaniem do tych materiałów popiołów i żużlu z pieców hutniczych (zawierających zagęszczone ilości radioaktywnego węgla).

4. Radon (gaz szlachetny, Rn) w powietrzu, emitowany z niektórych rodzajów wód (na przykład mineralnych).

5. Radon w budynkach, wydzielany z gleby i gromadzący się w niewietrzonych pomieszczeniach (z wszystkich źródeł naturalnych daje największą dawkę promieniowania! - dlatego mieszkania bezwzględnie należy wietrzyć).

6. Radionuklidy zawarte w organizmie człowieka: 40K, 226Ra, 218Po.

   Na sztuczne źródła promieniowania składają się:

   1. Diagnostyka rentgenowska.
   2. Radioterapia.
   3. Opad promieniotwórczy, powstający w wyniku próbnych wybuchów jądrowych i awarii w elektrowniach nuklearnych. Szkody wyrządzane przez opad zależą od układu wiatrów i wysokości, na jaką został wyniesiony pył radioaktywny (najgroźniejsze pod tym względem są wybuchy termojądrowe). Obecnie liczba eksplozji jądrowych systematycznie maleje, podczas gdy na przykład w roku 1968 wyniosła kilkaset. Natomiast jeśli chodzi o awarie, najbardziej głośny przypadek to katastrofa elektrowni atomowej w Czarnobylu w roku 1986. Nastąpiła wtedy emisja całej ilości gazów szlachetnych, 20% lotnych w wysokiej temperaturze produktów rozszczepienia (głównie jodu i cezu) i 4% aktywności paliwa, siła skażenia odpowiadała wybuchowi 500 bomb atomowych zrzuconych na Hiroszimę. Powierzchnia skażonego terenu obejmuje 50000 km2 wokół elektrowni, skażenie będzie utrzymywać się prawdopodobnie przez około 300 lat. Polskę uchronił przed maksymalnym skażeniem układ wiatrów, który skierował dwie pierwsze fale opadu nad Skandynawię i Europę Południową. Bezpośrednio w okresie katastrofy na chorobę popromienną wg oficjalnych danych zachorowało 134 osób, zmarło - 31.
   4. Telewizja - promieniowane kineskopu.
   5. Loty samolotami (zwiększona ekspozycja na promieniowanie kosmiczne).
   6. Używanie gazu ziemnego w gospodarstwach domowych.
   7. Zanieczyszczenia w pobliżu elektrowni węglowych - obecnie elektrownie takie powodują większe radioaktywne skażenie terenu niż sprawne elektrownie jądrowe!
   8. Narażenie zawodowe (pracowników naukowych, obsługi aparatów rentgenowskich).
   9. Palenie papierosów, zawierających skumulowane w liściach tytoniu izotopy 210Po i 210Pb - najnowsze badania wykazały, że substancje te są wprowadzane do organizmu wraz z dymem i stanowią znaczącą przyczynę między innymi raka płuc.

   Biologiczne skutki promieniowania
   
   Rozróżnia się bezpośrednie i pośrednie skutki pochłaniania energii promieniowania w żywych tkankach.
   Wielkość skutków biologicznych zależy od wielu czynników:

1. Wielkości dawki,

2. Rodzaju promieniowania,

3. Czasu biologicznego połowicznego zaniku radioizotopu,

4. Mocy dawki,

5. Rodzaju napromieniowanej tkanki (różne narządy i tkanki wykazują rozmaitą wrażliwość na działanie promieniowania),

6. Sposobu ekspozycji (zewnętrznej lub wewnętrznej) - skażenie wewnętrzne powoduje zdecydowanie większe szkody w organizmie,

7. Ogólnego stanu organizmu,

8. Czasu pochłaniania (dawka jednorazowa czy też kilka mniejszych),

Tab. Skutki napromieniowania ciała ludzkiego.

Dawka [Sv]	Skutki napromieniowania
0,25	brak wykrywalności skutków klinicznych
0,25-0,50	zmiany obrazu krwi
0,50-1,00	mdłości, zmęczenie
1,00-2,00	mdłości, wymioty, wyczerpanie, zmniejszona żywotność, biegunka
2,00-4,00	mdłości, wymioty, niezdolność do pracy, pewna liczba zgonów
4,00-6,00	50% zgonów (wciągu 2 - 6 tygodni)
6,00 i więcej	prawie 100% zgonów

PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE

Promieniowanie jonizujące, mimo znacznych korzyści, które przynosi w takich dziedzinach życia jak energetyka jądrowa, czy medycyna, ma ujemny wpływ na organizmy żywe. Skutki biologiczne promieniowania zależą głównie od dawki oraz rodzaju tego promieniowania, którego wpływ nazywamy względną skutecznością biologiczną.

Promieniowanie, które wywołuje na poziomie komórkowym istotne zakłócenia w funkcjonowaniu komórki, włącznie z jej śmiercią, a następnie zmiany w funkcjonowaniu organów, nazywane jest deterministycznym. Wpływ tego promieniowania obserwuje się dopiero po przekroczeniu pewnej dawki promieniowania i wzrasta ono ze wzrostem dawki wyższej od progowej. Przekroczenie progu dawki powoduje śmierć tylu komórek danego organu lub tkanek, że ich dalsze normalne funkcjonowanie przestaje być możliwe. Typowymi objawami są tu oparzenia skóry, zmiany w liczbie krwinek czerwonych i białych oraz katarakty.

Biologiczne skutki promieniowania jonizującego u ludzi można podzielić na dwie grupy:

1. somatyczne - występujące bezpośrednio po napromieniowaniu całego ciała. Późniejsze skutki takiego napromieniowania to białaczka, nowotwory złośliwe kości, skóry, zaćma, zaburzenia przewodu pokarmowego, bezpłodność.

2. genetyczne - związane z mutacjami w obrębie materiału genetycznego. Małe dawki promieniowania pochłonięte jednorazowo, dają obraz morfologiczny w postaci zmutowanych organizmów dopiero w kolejnych pokoleniach. Z kolei duże dawki są najczęściej dawkami letalnymi.

   W kontakcie żywej komórki z promieniowaniem jonizującym możemy mieć do czynienia z czterema różnymi efektami:

1. Zniszczenie komórki jest tak duże, że nie będzie ona w stanie pełnić swych dotychczasowych funkcji, z czym wiąże się jej śmierć,

2. Komórka, choć żywa, traci swą zdolność do reprodukcji, co prowadzi do opóźnionej śmierci komórki bez uprzedniego powielenia się,

3. Kod DNA zostanie uszkodzony w ten sposób, że powstające kopie komórek będą się różnić od komórki pierwotnej, czego skutkiem będą liczne mutacje prowadzące do chorób ujawnionych dopiero u potomstwa

4. Promieniowanie może nie mieć wpływu na komórkę.

   Promieniowanie jest więc bardzo negatywnym czynnikiem, ponieważ prawie każda jego dawka wywołuje jakieś efekty. To właśnie te dawki są generowane po wybuchu bomby atomowej, lub elektrowni jądrowej, takiej jak w Czarnobylu.
   Dlatego też nie powinniśmy lekceważyć ryzyka związanego z promieniowaniem jonizującym, ponieważ każda katastrofa, czy to będzie wybuch bomby atomowej, czy elektrowni, wiąże się ze śmiercią tysięcy, a nawet milionów ludzi, oraz przynosi ogromne straty dla świata roślin i zwierząt, który nas otacza.

   PROMIENIOWANIE NIEJONIZUJĄCE

   Promieniowanie niejonizujące uważa się obecnie za jedno z poważniejszych zanieczyszczeń środowiska. Promieniowanie to powstaje w wyniku działania zespołów sieci i urządzeń elektrycznych w pracy, w domu, urządzeń elektromedycznych do badań diagnostycznych i zabiegów fizykochemicznych, stacji nadawczych, urządzeń energetycznych, telekomunikacyjnych, radiolokacyjnych i radionawigacyjnych.

   Negatywny wpływ energii elektromagnetycznej przejawia się tak zwanym efektem termicznym, co może powodować zmiany biologiczne (np. zmianę właściwości koloidalnych w tkankach), a nawet doprowadzić do śmierci termicznej. Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez silne źródło niekorzystnie zmienia warunki bytowania człowieka, wpływa na przebieg procesów życiowych. Może powodować wystąpienie zaburzeń funkcji ośrodkowego układu nerwowego, układów: rozrodczego, hormonalnego, krwionośnego oraz narządów słuchu i wzroku. Ludzie pracujący w obrębie działania takiego pola są szczególnie podatni, co potwierdzają badania lekarskie, na "chorobę radiofalową" zwaną także "chorobą mikrofalową".

   Obecność pól elektromagnetycznych ma wpływ nie tylko na człowieka, lecz także na pozostałą część ożywionej natury. U roślin obserwuje się opóźniony wzrost i zmiany w budowie zewnętrznej, u zwierząt natomiast zaburzenia neurologiczne, nieprawidłowości w funkcjonowaniu układu krążenia, zakłócenia wzrostu, żywotności i płodności.

Rodzaj promieniowania	Właściwości	Znaczenie w środowisku	Do zatrzymania wystarczy
Cząstki alfa	Promieniowanie korpuskularne. Tego typu promieniowanie jest charakterystyczne dla dodatnio naładowanych atomów helu, jest także emitowane przez niektóre radioizotopy, np. Uran, Rad. Promieniowanie to charakteryzuje się najmniejszą przenikliwością spośród promieniowania alfa, beta i gamma.	Jest niebezpieczne, gdy źródło promieniowania dostanie się do organizmu.	Kartka papieru.
Cząstki beta	Promieniowanie korpuskularne. Charakterystyczne dal cząstek naładowanych dodatnio lub ujemnie, jest emitowane przez jądra niektórych radioizotopów	Jest niebezpieczne, gdy źródło promieniowania dostanie się do organizmu. Może powodować oparzenia skóry.	Zwykłe szkło, cienka blacha metalowa, np. z aluminium.
Promieniowanie gamma	Promieniowanie elektromagnetyczne o dużej energii i małej długości fali, jest najbardziej przenikliwe spośród alfa, beta i gamma, emitowane podczas rozszczepiania jądra izotopów.	Jest bardzo groźnym czynnikiem rażenia w przypadku skażeń. Powoduje zmiany w strukturze DNA i chromosomów, może wywoływać białaczkę, nowotwory skóry i kości	Tarcze z metali ciężkich, np. ołowiu.
Promieniowanie rentgenowskie - X	Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 0,001A do 100A, rozróżnia się promieniowanie rentgenowskie miękkie (mniej przenikliwe) i twarde (bardziej przenikliwe).	Jest niebezpieczne może wywoływać białaczkę.	Szkło ołowiowe. gruba blacha metalowa z ołowiu, żelaza.
Promieniowanie ultrafioletowe - UV	Krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 0,4nm - 10nm, stanowi 9% promieniowania słonecznego, niewidzialne dla oka ludzkiego, jest silnie pochłaniane przez warstwę ozonową.	Dawki w normie działają pozytywnie, zabijając mikroorganizmy chorobotwórcze, inicjuje syntezę witaminy D u ssaków, ptaków. Nadmierne dawki są szkodliwe dla zdrowia. (skóra, oczy)	Filtry pochłaniające ten zakres promieniowania.
Promieniowanie widzialne	Część promieniowania słonecznego o długości fali w zakresie 0,4-0,75?m, widzialne dla ludzkiego oka.	Źródło energii decyduje o życiu na Ziemi, przebiegu procesu fotosyntezy, stymuluje procesy rozrodu i rozwoju. Warunkuje aktywność dobową i sezonową organizmów.	Filtry pochłaniające dany zakres promieniowania.
Promieniowanie podczerwone	Fale elektromagnetyczne o długości większej niż 0,75?m, składnik promieniowania słonecznego, niewidzialne dla oka ludzkiego, jest emitowane przez nagrzane ciała	Ma duże znaczenie ekologiczne, głównie ze względu na wywoływanie efektu cieplarnianego. Wzmaga procesy produkcji biologicznej.	Filtry pochłaniające ten zakres promieniowania.
Promieniowanie o wysokiej częstotliwości.	Fale elektromagnetyczne o dł. fali 100 m do 1 mm. Promieniowanie tego typu jest niewyczuwalne przez zmysły człowieka. Emitowane jest przez urządzenia radio-telewizyjne, telekomunikacyjne, elektryczne i elektroniczne.	Działanie negatywne w postaci efektu termicznego komórek.	Blachy żelazne lub albuminowe o grubości 0,5mm oraz gęsta siatka mosiężna lub miedziana.

Pozytywne skutki promieniowanie i jego zastosowanie w medycynie

Promieniowanie jonizujące jest nieodłącznym składnikiem naszego środowiska naturalnego i towarzyszyło życiu biologicznemu na Ziemi zawsze.
Istnieją publikacje dowodzące, że małe dawki promieniowania jonizującego mają skutek pozytywny, w tym sensie, że w populacji poddanej lekkiemu napromieniowaniu ze źródeł
naturalnych, nieco mniej osób zapada na nowotwory, niż w populacji nie napromieniowanej.

Promieniowanie jest jednym z generatorów nowych mutacji, z których niektóre mogą okazać się cenne dla przyszłych pokoleń.
Wpływ promieniowania jonizującego na inne niż człowiek organizmy żywe badany był w wielu ośrodkach. Chodziło głównie o stwierdzenie przeżywalności różnych organizmów przy bardzo dużych dawkach i generacje zmian genetycznych, np. dla otrzymywania nowych odmian roślin.

Niszczące działanie promieniowania jądrowego jest wykorzystywane w terapii nowotworowej.

Promieniowanie jonizujące ma zastosowanie w rentgenowskich badaniach medycznych.

W ciągu 70 lat życia średnia życiowa dawki naturalna promieniowania wynosi 168 mSv.