Działanie promieniowania jonizującego na organizmy żywe
Już po kilku miesiącach od odkrycia przez Roentgena promieniowania X zanotowano pierwsze nieszczęśliwe wypadki, którym ulegali badacze pracujący przy aparatach wytwarzających to promieniowanie. W roku 1898 wykryto rad, który podobnie jak promieniowanie rentgenowskie powodował nieszczęśliwe wypadki. Jedną z pierwszych ofiar był Becquerel, który po kilku godzinach noszenia w kieszonce kamizelki fiolki z solą radową zaobserwował na skórze czerwoną plamę, która później przekształciła się w ranę. Rana ta stała się przyczyną śmierci uczonego w siedem lat później. Izotopy promieniotwórcze w zetknięciu z organizmem żywym mogą być bardzo niebezpieczne. Szkodliwe oddziaływanie z materią żywą może odbywać się na dwa sposoby. Poprzez napromieniowanie tkanki żywej promieniowaniem jądrowym - bezpośrednio jonizującym lub neutronowym. Cząstki promieniowania powodują tzw. uszkodzenia radiacyjne. Poprzez skażenia izotopami promieniotwórczymi, które dostały się do wnętrza organizmu (tkanek żywych) lub znalazły się w kontakcie zewnętrznym. Wpływ, jaki na człowieka wywiera promieniowanie, zależy od jego rodzaju (α, β, γ i inne) oraz energii, jaką niosą jego cząstki. Do najsłabszych źródeł promieniowania zalicza się promieniowanie β emitowane m.in. przez tryt oraz przez węgiel-14. Promieniowanie β- może mieć wysoką energię np. promieniowanie potasu-40. Promieniowanie α ma z natury bardzo wysoką energię, jednak ze względu na dużą masę cząstek jest mało przenikliwe i jego zasięg w powietrzu jest rzędu centymetrów. Emisji promieniowania α prawie zawsze towarzyszy emisja promieniowania γ. Również często emisja promieniowania β- występuje wraz z emisją promieniowania γ. Promieniowanie jądrowe oraz promieniowanie Roentgena noszą nazwę promieniowania jonizującego. Nazwa ta jest konsekwencją właściwości promieniowania, które poprzez oddanie swojej energii wytwarza w materii jony. Dla organizmów żywych jony te mogą okazać się bardzo szkodliwe. Promieniowanie jonizujące działa na wodę i wytwarza w niej aniony i kationy (H+ i OH-), a jednocześnie rodniki (H· i OH·) - twory bardzo nietrwałe, które są jakby produktem przejściowym pomiędzy cząsteczkami a jonami. Proces polega na rozerwaniu wiązania pomiędzy atomem wodoru i grupą wodorotlenową. Rodniki są bardzo nietrwałe i chemicznie bardzo aktywne. Mogą łączyć się z powrotem w cząsteczki wody, z której powstały. Przykład reakcji rozkładu wody pod wpływem promieniowania jonizującego jest następujący: H2O → H2O* (cząsteczka wzbudzona) → H· + OH· (wolne rodniki) Jest to ogólny zapis reakcji, której produkty reagują ze związkami chemicznymi wchodzącymi w skład komórek organizmu, na skutek czego mogą powstać zakłócenia w ich funkcjonowaniu. Z rodników wodorowych w obecności tlenu mogą powstać rodniki wodoronadtlenkowe: H· + O2 ---> HO2· Rodniki HO· i HO2· są bardzo silnymi utleniaczami i reagując ze składnikami komórek powodują ich destrukcję. W komórkach na skutek jonizacji wody pojawiają się jony, wolne rodniki i elektrony, które mogą wywierać szkodliwe działanie na te komórki. W materii żywej promieniowanie jonizujące działa nie tylko na wodę. Jonizacja we wnętrzu komórki może doprowadzić do uszkodzenia kwasów nukleinowych w jądrze komórki, powodując rozregulowanie podstawowych jej funkcji. Zostaje zakłócona synteza białek (w tym enzymów). Chociaż organizm jest wyposażony w układy naprawcze, które regenerują uszkodzenia DNA, to przy silnych napromienieniach nie potrafi usunąć wszystkich powstałych defektów. Jonizacja i wytworzenie wolnych rodników może wywołać zmiany w strukturze genów, prowadząc do mutacji - zmian i zaburzeń cyklu genetycznego. W efekcie, wśród napromieniowanych roślin lub zwierząt mogą pojawiać się osobniki znacznie się różniące od organizmów macierzystych (mutanty). Liczba mutacji jest wprost proporcjonalna do ilości pochłoniętego promieniowania. Jednym z głównych następstw ekspozycji żywego ustroju na promieniowanie jest powstawanie nowotworów. Wiadomo, że wiele jest przyczyn tworzenia się komórek nowotworowych. Zostało stwierdzone, że promieniowanie jonizujące także wpływa na powstanie i rozwój tych komórek. Częstym schorzeniem osób narażonych na duże dawki promieniowania jest białaczka (nowotwór krwi). Do skutków napromieniowania należy również choroba oczu - katarakta, która nieleczona odpowiednio powoduje ślepotę. Zagrożenie skutkami promieniowania zależy od ilości substancji promieniotwórczej, energii promieniowania oraz odległości i czasu przebywania w pobliżu materiałów promieniotwórczych, a to w sumie składa się na wartość dawki pochłoniętej. Miarą tej dawki jest łączna energia pochłonięta przez napromieniowaną materię w przeliczeniu na jednostkę masy.
Przeszło 80% dawki otrzymywanej rocznie przez człowieka pochodzi ze skorupy ziemskiej (69%) i z promieniowania kosmicznego (11%), a prawie 20% ze sztucznych źródeł promieniotwórczych wytworzonych przez człowieka.
Pochodzenia promieniowania na Ziemi
Od promieniowania kosmicznego chroni nas częściowo warstwa atmosfery. Większe dawki, przeciętnie o 40% na każde 1000 m, otrzymują ludzie zamieszkujący obszary górzyste. Kosmonauci przebywający na orbicie wokółziemskiej otrzymują dawki kilkadziesiąt razy większe niż otrzymaliby na Ziemi. Otrzymana dawka promieniowania zależy nawet od sposobu żywienia. W niektórych roślinach zjadanych przez zwierzęta selektywnie kumulują się pewne pierwiastki, np. polon. Osoby spożywające mięso z tych zwierząt wprowadzają te pierwiastki do swojego organizmu. Na przykład mieszkańcy Laponii spożywają mięso reniferów, w których stężenie polonu-210 jest większe niż normalnie. Izotop ten jest gromadzony selektywnie przez porosty, które są podstawowym pożywieniem tych zwierząt. Podobna sytuacja jest na terenach bogatych w rudy uranu, gdzie występuje zwiększone stężenie izotopów promieniotwórczych, takich jak 210Po czy 210Pb. Na dodatkowe napromieniowanie swojego organizmu narażają się palacze, którzy z dymem papierosowym, obok smół pogazowych, wprowadzają do swoich płuc radioaktywny polon-210, znajdujący się w liściach tytoniu. Polon-210 ulega dalszym przemianom jądrowym - transmutacji w promieniotwórcze izotopy ołowiu, bizmutu i talu. Napromieniowanie tą samą dawką różnych organizmów żywych powoduje w nich różne zmiany. Zasadniczą rolę podczas napromieniowania odgrywa czas, w ciągu którego organizm pochłonął określoną dawkę promieniowania, a także rodzaju organizmu. Dawka, która powoduje śmierć 50% osobników w ciągu 30 dni po napromieniowaniu, zwana dawką śmiertelną, jest różna dla różnych organizmów. Taka sama dawka rozłożona w czasie dłuższym jest mniej niebezpieczna, ponieważ organizm ma możność regenerowania zniszczeń spowodowanych przez promieniowanie. Dawka śmiertlena dla człowieka wynosi 3-4 Sv. Mniej skomplikowane organizmy są bardziej odporne na działanie promieniowania. Zgodnie z polskimi przepisami osoby stykające się zawodowo z materiałami promieniotwórczymi nie powinny otrzymywać rocznie więcej niż 50 mSv. W czasie jednego prześwietlenia rentgenowskiego dawka może wynosić nawet 10 mSv. Dotyczy to równomiernego napromieniowania całego ciała. A więc należy pamiętać, że nawet pojedyncze prześwietlenie nie jest obojętne dla zdrowia. Zwłaszcza kobiety w ciąży powinny się wystrzegać prześwietleń, ponieważ płód ludzki jest bardzo wrażliwy na promieniowanie jonizujące. Za najbardziej wrażliwe części organizmu na promieniowanie jonizujące uważa się gonady i szpik kostny, a najmniej ręce, przedramiona i stopy. Dla osób niepracujących zawodowo z promieniowaniem jonizującym dawki te są dziesięciokrotnie mniejsze. W przypadku otrzymania dawki letalnej następuje znaczne obniżenie bariery immunologicznej. Występuje wówczas choroba popromienna, która objawia się m.in. nudnościami i biegunką. Dochodzi do odwodnienia ustroju i zaburzeń równowagi elektrolitowej, prowadzących do śmierci. Dawka większa od 100 Sv powoduje śmierć w ciągu kilku godzin od napromieniowania, głównie na skutek uszkodzenia zespołu ośrodkowego - mózgowego. Obniżenie bariery immunologicznej, które czasami jest pożądane, może nastąpić także przy mniejszych dawkach promieniowania. Przy pierwszych przeszczepach narządów pacjenci byli naświetlani promieniowaniem jonizującym, aby organizm nie odrzucił przeszczepu. W celu obniżenia bariery immunologicznej stosuje się także naświetlanie samej krwi pacjenta.
Przepisy w Polsce zabraniają posiadania, przechowywania i przewożenia materiałów promieniotwórczych przez jednostki oraz osoby do tego nieupoważnione. Wszelkie tego rodzaju czynności, jak również posiadanie izotopów promieniotwórczych jest nielegalne. Bardzo groźne jest także promieniowanie neutronowe, zaliczane do promieniowania jonizującego, pomimo że nie jest to promieniowanie jonizujące bezpośrednio. Neutrony reagują z jądrami pierwiastków, z których są zbudowane organizmy żywe. Szczególnym rodzajem zagrożenia dla ludzi są skażenia wewnętrzne. Izotopy promieniotwórcze wysyłające nawet bardzo słabe promieniowanie β lub o bardzo małym zasięgu, jak promieniowanie α, które nie jest w stanie przeniknąć przez kartkę papieru, stają się groźne po dostaniu się do organizmu. Stosunkowo duże cząstki α oddając podczas wyhamowywania swoją energię komórkom powodują dużo większe uszkodzenia niż wysokoenergetyczne promieniowanie γ, które przenika komórkę na wylot, oddając jej niewielką część swojej energii. Takim przykładem może być promieniotwórczy izotop wodoru - tryt, którego bardzo słabe promieniowanie β ma zasięg zaledwie kilku cm. Po dostaniu się do organizmu tryt wbudowuje się w komórki w miejsce zwykłego wodoru i swoim promieniowaniem bombarduje znajdujące się w jego sąsiedztwie składniki komórek, zmieniając silnie ich strukturę, i powoduje zakłócenia w prawidłowym funkcjonowaniu organizmu. Czarną stroną historii naszej cywilizacji były próby nuklearne przeprowadzane przez państwa posiadające broń jądrową w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych. Produkty rozszczepienia uranu i plutonu, jak również izotopy promieniotwórcze powstałe z napromieniowania neutronami ziemi oraz składniki bomb, zaśmieciły różne zakątki ziemi. Pył promieniotwórczy w postaci radioaktywnej chmury po każdy wybuch kilkakrotnie obiegł kulę ziemską. Dostawał się do organizmów poprzez płuca lub z pożywieniem. Typowym pierwiastkiem promieniotwórczym pochodzącym z opadów promieniotwórczych jest stront-90, bardzo niebezpieczny izotop, który z łatwością wbudowuje się w tkankę kostną, gdyż ma właściwości chemiczne zbliżone do wapnia. Może on być przyczyną białaczki i innych nowotworów. Do organizmu człowieka dostawał się m.in. z mlekiem krów, które wypasały się na pastwiskach skażonych pyłem promieniotwórczym. Nie spowodowało to jednak katastrofy o przewidywanych rozmiarach, gdyż okazało się, że ludzie przyswajają raczej wapń niż stront, wydalając jego większość z organizmu. Również niebezpieczne są izotopy cez-137 i cez-134, które wbudowują się (zamiast sodu i potasu) w tkanki miękkie (mięśnie). Jednym z parametrów, od których zależy szkodliwe działanie izotopów promieniotwórczych, jest czas, jaki upływa od chwili skażenia do momentu wydalenia ich przez organizm. Czas ten z kolei zależy od metabolizmu danego pierwiastka, czyli od sposobu związania go w organizmie. Okazuje się, że cez-137, który ma okres półtrwania ok. 30 lat, w organizmie przebywa dwa lata, natomiast stront-90, który ma okres półtrwania ok. 27 lat, w organizmie przebywa lat kilkadziesiąt. Wśród pierwiastków promieniotwórczych jest wiele metali ciężkich, które mają dodatkowe toksyczne działanie na organizmy, związane z ich właściwościami chemicznymi. U górników i osób stykających się z pyłem, w skład którego wchodzą pierwiastki należące do naturalnych szeregów promieniotwórczych uranu i toru, znacznie częściej niż normalnie obserwuje się ciężkie schorzenia układu krwionośnego i nerek lub nowotwory płuc. Dawniej do wyrobu farb świecących, np. do malowania wskazówek zegarków, były stosowane sole radu. Przy malowaniu takich przedmiotów pracownicy zwilżali pędzelki ustami. U tych właśnie pracowników stwierdzono częste przypadki nowotworów szczęk i warg. Wielu z nich przypłaciło to życiem. W organizmie zmarłych stwierdzono obecność ułamków miligrama radu, który jako wapniowiec odkładał się w kościach. Szczególnie groźne są aktynowce, a zwłaszcza pluton, który jest jednym z najbardziej toksycznych radionuklidów. Jego bezpośredni kontakt z organizmem może prowadzić do nieodwracalnych zmian poprzez destrukcję komórek, w które się wbudowuje. Zetknięcie plutonu z uszkodzoną skórą lub nawet świeżą blizną wywołuje gangrenę, co nieuchronnie prowadzi do amputacji kończyny. Okazuje się, że dziesiąta część miligrama plutonu powoduje śmierć w przeciągu kilku tygodni. Mniejsze ilości plutonu wchłonięte do organizmu przez drogi oddechowe mogą być prawie ilościowo przeniesione z płuc do kości. Po dłuższym okresie może w nich spowodować utworzenie nowotworów. Na koniec trzeba jednak zaznaczyć, że lęk przed nawet najmniejszymi ilościami promieniowania jonizującego nie jest do końca uzasadniony. Udowodniono bowiem, że odpowiednie, małe dawki promieniowania, które jednak wielokrotnie przewyższają tło naturalne, powodują zmniejszenie zachorowalności na raka u zwierząt laboratoryjnych nawet do 35%. Najbardziej widoczne efekty u myszy obserwowano przy dawce pochłoniętej równej 1 Gy. Jest to związane z efektem hormezy, który polega na tym, że czynniki szkodliwe o małym natężeniu pobudzają organizm do działania. Skutki owego działania przewyższają jednak te konieczne do zlikwidowania wpływu czynnika, przez co ogólna wytrzymałość organizmu wzrasta (hiperkompensacja). Obecnie nad hormezą prowadzone są szeroko zakrojone badania naukowe, które mogą przyczynić się do zrewidowania norm dotyczących promieniowania.
Artykuł napisała:
Kinia
Źródła: