Podwyższona jonizacja kostna – przyczyny i skutki
- Szczegóły
Organizm człowieka narażony jest na skutki wywołane promieniowaniem jonizującym, które może pochodzić zarówno ze źródeł sztucznych, jak i naturalnych. Promieniowanie jonizujące towarzyszy człowiekowi od zawsze. Codziennie pochłaniamy promieniowanie, które dociera do nas z Kosmosu oraz pochodzi ze skał lub gleby.
Czym jest promieniowanie jonizujące?
Promieniowanie jonizujące jest promieniowaniem korpuskularnym lub elektromagnetycznym, powodującym jonizację ośrodka, przez który przechodzi. Dzięki odpowiednio dużej energii jest zdolne oderwać elektron od obojętnych atomów lub cząsteczek. Promieniowaniem jonizującym jest promieniowanie jądrowe (α, β i γ), neutronowe, X i kosmiczne.
Źródła promieniowania jonizującego
Źródłem naturalnego promieniowania jonizującego jest m.in. przestrzeń kosmiczna. Promienie kosmiczne, które składają się głównie z jąder atomów o wielkich energiach (są to głównie protony), zostało odkryte na początku XX w. Przed promieniowaniem kosmicznym częściowo chroni nas atmosfera ziemska, która pochłania energię padających cząstek. W wyniku zderzeń cząsteczek z jądrami gazów (azot, tlen) w atmosferze emitowane jest promieniowanie wtórne. Szacuje się, że do wysokości 20 km nad powierzchnią Ziemi jest ono dominującą składową promieniowania kosmicznego. Im grubszą warstwę atmosfery musi pokonać promieniowanie, tym słabsze się ono staje. W związku z tym ludzie przyjmują dużo mniejszą dawkę promieniowania na poziomie morza niż osoby wspinające się w wysokich górach. Osoby latające samolotami na trasach transkontynentalnych otrzymają dawkę promieniowania równą mniej więcej dawce towarzyszącej prześwietleniu rentgenowskiemu płuc.
Źródłem promieniowania jonizującego są również powierzchnia i wnętrze Ziemi, które zawierają bogate zasoby pierwiastków radioaktywnych. Na terenie Polski po zakończeniu drugiej wojny światowej wydobywano rudy uranu m.in. w Kletnie i Kowarach (Sudety). Z kopalni w Kletnie uzyskano łącznie 20 ton uranu.
Oprócz źródeł naturalnych promieniowania jonizującego istnieją także jego źródła sztuczne. Promieniowanie jonizacyjne wytworzone przez człowieka powstaje jako rezultat przemian zachodzących we wnętrzach jąder atomowych. Tym zmianom towarzyszy zmiana energii jąder, a często także liczby nukleonów. Podatne na to są zwłaszcza izotopy pierwiastków, w których znajduje się nieodpowiednia liczba neutronów.
Przeczytaj także: Profesjonalna stylizacja włosów w domu
Do źródeł sztucznych promieniowania jonizującego zaliczamy aparaturę medyczną (aparaty rentgenowskie, bomby kobaltowe), elektrownie jądrowe (reaktory) i urządzenia badawcze, np. akceleratory cząstek.
Skutki biologiczne promieniowania jonizującego
Promieniowanie jonizujące powoduje określone skutki biologiczne, które ze względu na podstawowe mechanizmy ich powstawania możemy podzielić na deterministyczne i stochastyczne.
Skutki deterministyczne są konsekwencją pochłonięcia przez organizm ludzki na tyle dużej dawki promieniowania jonizującego, że powoduje ona zniszczenie lub bezpowrotne uszkodzenie pewnej liczby komórek. Przejawem skutków deterministycznych jest choroba popromienna. Przekroczenie dawki progowej promieniowania wywołuje pierwsze dostrzegalne zmiany w organizmie.
Skutki stochastyczne (losowe) są rezultatem uszkodzenia materiału genetycznego pojedynczej komórki i przejawiają się w postaci nowotworów lub chorób dziedzicznych.
Rodzaje promieniowania jonizującego
Promieniowanie α
Promieniowanie α stanowią duże cząstki, które mimo swojego krótkiego zasięgu mają silne własności jonizacyjne (nawet 20‑krotnie większe niż promieniowanie β lub γ). Kiedy cząstka α o energii 4 MeV porusza się w powietrzu, może wytworzyć nawet 120 000 par jonów. Prawie cała energia cząstek alfa zużywana jest na jonizację ośrodka.
Przeczytaj także: Wszystko o prostownicy z laserową jonizacją
Źródłem promieniowania α są przemiany promieniotwórcze niektórych jąder tzw. pierwiastków ciężkich (uranu, toru, radu).
Szkło, kilkucentymetrowa warstwa powietrza (4,37 cm dla energii cząstek 6 MeV), skóra ludzka lub zwykły papier stanowią dla tego promieniowania zaporę nie do przebycia. Gdyby jednak cząstki α dostały się w jakiś sposób do organizmu, np. drogą pokarmową, to ich jonizujące działanie mogłoby się okazać tragiczne dla zdrowia (choroba popromienna, białaczka) i zakończyć nawet śmiercią. Promieniowanie α nie wymaga stosowania specjalnych osłon.
Promieniowanie β
Promieniowanie β (strumień elektronów) w porównaniu z promieniowaniem α ma znacznie większy zasięg (zależny od energii cząstek; w powietrzu rozchodzi się ono na odległość kilku metrów) oraz większą przenikliwość. Źródłem promieniowania β są procesy zachodzące wewnątrz jąder pierwiastków promieniotwórczych, gdzie następuje przemiana neutronu w proton (β-) lub protonu w neutron (β+). Cząstki β, których zarówno ładunek, jak i masa są mniejsze w porównaniu z cząstkami α, wywołują znacznie mniejszą jonizację ośrodka. W powietrzu mogą mieć zasięg nawet kilku metrów (2,3 m dla 6,0 MeV).
Biologiczne skutki oddziaływania promieniowania β na żywą tkankę są jednak znacznie mniejsze w porównaniu z promieniowaniem α. Przed promieniowaniem β chroni cienka warstwa aluminium lub tworzywa sztucznego a także szklana płyta o grubości 1 cm. Aby zabezpieczyć się przed promieniowaniem β, musimy korzystać z osłony. Wykorzystanie tarcz ołowianych (lub wykonanych z innych metali ciężkich) nie jest wskazane, ponieważ wychwycenie elektronu przez jądra osłony może stać się źródłem promieniowania wtórnego.
Niebezpieczne dla zdrowia jest przyjęcie dawki promieniowania β znajdującej się w skażonej żywności.
Przeczytaj także: Pyły zawieszone, filtry i jonizacja w oczyszczaczach powietrza
Promieniowanie γ
Promieniowanie γ oraz promieniowanie neutronowe stanowią pośredni czynnik jonizujący. Nie zawierają ładunku elektrycznego, ale są odpowiedzialne za powstawanie cząstek naładowanych, które z kolei wywołują jonizację.
Promieniowanie γ jest najbardziej przenikliwą formą promieniowania jonizującego. Są to fale elektromagnetyczne krótsze od promieni rentgenowskich.
Źródłem promieniowania γ są wzbudzone jądra, które podczas powrotu do stanu podstawowego, emitują nadmiar energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie γ nigdy nie występuje samo - zawsze towarzyszy emisji cząstek α lub β. Liczba masowa jądra pozostaje niezmieniona.
Częściową (najczęściej jednak w pełni wystarczającą) ochronę przed tym promieniowaniem stanowią płyty ołowiane (które mogą być także wykonane z innych metali ciężkich, np. stali albo zubożonego uranu) lub wielometrowa warstwa betonu. Promieniowanie γ nie ma zasięgu maksymalnego i po napotkaniu odpowiedniej przeszkody ulega pochłanianiu, którego stopień zależy od tego, jak gruba jest ta przeszkoda i z jakiego materiału została ona wykonana. Energia promieniowania γ może zmieniać się liniowo w bardzo szerokim zakresie - od kilkuset keV do kilku MeV.
Promieniowanie neutronowe
Promieniowanie neutronowe to kolejny rodzaj promieniowania jonizującego, który nie przenosi ładunku elektrycznego. Powstaje w wyniku rozszczepienia jąder atomowych lub rozpadu niektórych izotopów promieniotwórczych. Ze względu na prędkość (a tym samym energię), którą osiągają neutrony, dzielimy je na termiczne i szybkie.
Neutrony termiczne (o ich znaczeniu przeczytacie w następnych podrozdziałach) osiągają prędkość ok. 2 km/s oraz energię poniżej 1 eV. Neutrony termiczne pochłaniane są przez tarcze wykonane z materiałów takich jak kadm lub bor.
Z kolei proces pochłaniania neutronów szybkich przebiega dwustopniowo. Przed wychwyceniem muszą zostać spowolnione do prędkości charakterystycznej dla neutronów termicznych. Moderatorami (spowalniaczami) w tym wypadku mogą być materiały zbudowane z jąder o niskich liczbach atomowych (zawierające wodór), np. ciężka woda, parafina bądź grafit.
Równoważnik dawki promieniowania
Zdolności jonizacyjne promieniowania alfa, beta, gamma i neutronowego zdecydowanie się od siebie różnią. Najbardziej szkodliwe, biorąc pod uwagę wywierane skutki, są promieniowanie α i neutronowe. Jeden grej promieniowania gamma (wysoka przenikliwość) wpływa na organizm ludzki zupełnie inaczej niż jeden grej promieniowania alfa. Skutki promieniowania mogą być różne, dlatego wprowadzono wielkość zwaną równoważnikiem dawki.
Wyraża się go wzorem:
H=Q·D
gdzie:
- Q - współczynnik jakości promieniowania (liczba z przedziału od 1 do 25);
- D - dawka promieniowania.
| Promieniowanie | Q |
|---|---|
| α i γ powyżej 30 keV | 1 |
| β powyżej 30 keV | 1 |
| β trytu | 2 |
| α, neutrony, protony, ciężkie jony | 25 |
| neutrony termiczne | 4,5 |
Bezwymiarowa liczba Q przyjmuje wartość równą jeden dla promieniowania γ i dwadzieścia pięć - dla promieniowania α i neutronowego. Uwzględnia różne skutki promieniowania jonizującego wywierane na organizm ludzki (inna zdolność jonizacyjna, przenikliwość, odporność biologiczna). W układzie SI jednostką pochodną równoważnika dawki promieniowania jest jeden siwert (Sv).
| Państwo (obszar) | Równoważnik dawki [mSv] |
|---|---|
| Stany Zjednoczone | ok. 1,0 |
| Wielka Brytania | ok. 1,9 |
| Polska | ok. 2,8 |
| Francja - Masyw Centralny | 3,5 |
| Iran - Ramsar | ok. 240 |
| Indie - Kerala, Madras | 8-80 |
| Brazylia - Minas Gerais | 17-120 |
| Rio de Janeiro - plaże | 5,5-12,5 |
Narażenie na promieniowanie jonizujące
Rozróżnia się dwa rodzaje narażenia na promieniowanie jonizujące - zewnętrzne, gdy źródło promieniowania znajduje się w sąsiedztwie osoby narażonej. Tego typu narażenie dotyczy zarówno osób narażonych zawodowo jak i ogółu ludności. Najprostszą metodą ochrony przed promieniowaniem w przypadku narażenia zewnętrznego jest ograniczenie przebywania w sąsiedztwie źródła.
Narażenie wewnętrzne ma miejsce, gdy istnieje niebezpieczeństwo wchłonięcia substancji promieniotwórczej do organizmu człowieka. Na skażenia wewnętrzne są narażone osoby pracujące z otwartymi źródłami promieniowania. Narażenie ogółu ludności może mieć miejsce jedynie w przypadku wystąpienia zdarzenia radiacyjnego, w wyniku którego nastąpi uwolnienie do środowiska substancji promieniotwórczych w stanie gazowym lub ciekłym.
Z punktu widzenia narażenia wewnętrznego najgroźniejsze są izotopy emitujące promieniowanie α, ze względu na ich silną zdolność do jonizacji. Po wniknięciu substancji promieniotwórczej do organizmu jest ona poddawana procesom metabolicznym, których rodzaj i szybkość zależą od pierwiastka drogi wniknięcia właściwości pierwiastka, którego izotop znalazł się w organizmie. Część wnikniętej substancji promieniotwórczej trafia do płynów ustrojowych (tą część określa się terminem wchłonięcie), pozostała zostaje wydalona z organizmu zanim do nich dotrze.
Większość pierwiastków, które trafiają do organizmu człowieka jest gromadzona głównie w jednym narządzie.
Radionuklidy są wydalane z organizmu człowieka wszystkimi możliwymi drogami - z wydalinami, z potem, ze śliną, itp.
Wpływ promieniowania na organizm
Skutki promieniowania zależą od jego rodzaju, przede wszystkim od energii jaką ze sobą niesie oraz przenikliwości czyli ilości energii pozostawionej w napromienianym ośrodku. Na ich wielkość ma wpływ także wielkość otrzymanej dawki promieniowania. Szkodliwość promieniowania wzrasta wraz ze wzrostem dawki promieniowania i taka zależność jest prawdziwa dla dużych dawek. Do tej pory nie udowodniono, jaki wpływ na organizm człowieka mają małe dawki.
Istnieją dwie różne hipotezy dotyczące tego zagadnienia. Hipoteza zerowa (liniowa) zakłada, że zależność między dawką a skutkiem ma charakter liniowy i nawet najmniejsza dawka bliska zerowej jest szkodliwa dla organizmu. Druga hipoteza, hipoteza hormezy radiacyjnej, zakłada że małe dawki promieniowania mają korzystny wpływ na organizmy żywe. Dopiero duże dawki, powyżej pewnego, nieznanego dotychczas, progu są szkodliwe.
Kolejnym czynnikiem, od którego zależą skutki napromieniowania jest rozkład dawki w czasie, przy czym ta sama dawka otrzymana jednorazowo jest groźniejsza niż otrzymana w dłuższym okresie czasu. Ostatnim czynnikiem jest wiek i płeć osoby narażonej, ze względu na różną szybkość metabolizmu kobiet i mężczyzn oraz u osób w różnym wieku.
Promieniowanie może oddziaływać na organizm żywy w sposób bezpośredni, powodując rozerwanie łańcucha DNA lub pośredni, powodując radiolizę wody, w wyniku której powstają wolne rodniki, czyli cząsteczki lub atomy, posiadające niesparowane elektrony, HO*2, OH* i H*. są one silnymi utleniaczami i reagując ze składnikami komórek powodują ich destrukcję.
Najważniejszą częścią komórki jest jądro komórkowe, które zawiera informację genetyczną DNA. Pod wpływem promieniowania woda zawarta w jądrze może ulec radiolizie i wolne rodniki mogą bezpośrednio uszkodzić DNA, co może doprowadzić nawet do śmierci komórki.
Mutacje powstają na skutek ataku rodnika OH* na DNA, który powoduje błędne sparowanie zasad azotowych. Po replikacji DNA następuje powielenie błędnej informacji, czyli mutacja. Jeśli na skutek oddziaływania promieniowania nastąpi oderwanie atomu wodoru od składowej nici DNA, doprowadzi to do pęknięcia nici DNA. Atak rodników na zasadę lub szkielet cukrowy DNA może prowadzić do utraty zasady. Mimo że w miejscu uszkodzenia zachowana jest ciągłość nici DNA, miejsce utraty blokuje syntezę DNA. Najgroźniejszym uszkodzeniem DNA wywołanym przez promieniowanie jest pęknięcie podwójnoniciowe, czyli rozerwanie łańcucha.
Mutacje komórek dzielą się na somatyczne, czyli wczesne zmiany takie jak rumień skóry, zaćma itp. oraz genetyczne, czyi późne zmiany, do których dochodzi na skutek mutacji genów lub chromosomów.
Skutki stochastyczne i deterministyczne
Skutki oddziaływania promieniowania na organizm dzieli się na stochastyczne i deterministyczne.
Skutki stochastyczne nie są uzależnione wprost od pochłoniętej dawki, a jej wielkość zwiększa jedynie prawdopodobieństwo zachorowania. Skutki te są trudne do odróżnienia od zachorowań wywołanych innymi przyczynami. Typowym przykładem skutków stochastycznych jest białaczka.
Skutki deterministyczne są wynikiem dużej krótkotrwałej ekspozycji, po której następuje śmierć pewnej liczby komórek. Organizm ludzki posiada pewne mechanizmy obrony, dzięki którym za pomocą enzymów przekazywane są do komórek sygnały, które mogą doprowadzić np. do śmierci „samobójczej” komórki. Uszkodzona komórka może również zostać naprawiona. Naprawa może przebiegać bez błędów lub z błędami.
Napromieniowanie organizmu może prowadzić do wielu różnych schorzeń, których stopień zależy od sposobu i wielkości narażenia. Napromieniowanie miejscowe dużą dawką powoduje powstanie oparzeń popromiennych, które różnią się od oparzeń termicznych. Nie pojawiają się one pnatychmiast, lecz stopniowo, po okresie utajenia, który trwa od kilku godzin do 3 tygodni. Stopień uszkodzenia poszczególnych warstw skóry związany jest z energią promieniowania.
Dawki promieniowania i ich skutki
- rumień porentgenowski (skóra) - ok.
- kataraktę (oczy) - ok.
- bezpłodność u kobiet - 3 Sv, u mężczyzn - ok.
Fazy choroby popromiennej
- Okres I - faza wstępna, rozpoczyna się kilka lub kilkanaście godzin po ekspozycji, trwa ok. 1-2 dni.
- Okres III - główna faza choroby popromiennej, rozwija się po ok. 2-3 tygodniach po ekspozycji.
Ze względu na zróżnicowaną reakcję na promieniowanie u różnych osobników tego samego gatunku, nie istnieje pojęcie śmiertelnej dawki promieniowania. Wrażliwość na promieniowanie jest różna dla różnych gatunków, a także dla różnych komórek, tkanek i narządy osobników jednego gatunku. Organizmy bardziej złożone mają większą promieniowrażliwość.
Tkanki o szybkiej kinetyce odnawiania są bardziej wrażliwe od tkanek, w których komórki dzielą się rzadziej. Narząd najbardziej wrażliwym na promieniowanie jonizujące są gonady. Czasową bezpłodność mężczyzn powoduje dawka w jądrach ok. 0,15 Gy, a trwałą - dawka od 3,5 do 6 Gy.
Tkankami odpornymi na promieniowanie jonizujące są skóra oraz powierzchnia kości. W przypadku narażenia całego ciała dawkami, które w narządach wewnętrznych przekraczają 2 Gy, mogą w kilka godzin później wystąpić mdłości na skutek uszkodzenia układu trawiennego. Dawki na całe ciało od 3 do 5 Gy mogą spowodować śmierć w ciągu 60 dni. Po otrzymaniu takich dawek może wystąpić zaczerwienienie (rumień) skóry.
Ochrona przed promieniowaniem
Istnieją metody pozwalające na ograniczenie skutków napromienienia. Jedną z nich jest blokada tarczycy poprzez podanie roztworu jodu i jodku potasu (płyn Lugola) w celu zmniejszenia wchłaniania radioaktywnego jodu z opadów promieniotwórczych. Nadmiar jodu powstrzymuje wbudowywanie radioaktywnych izotopów jodu w hormony tarczycowe.
W przypadku skażeń zewnętrznych plutonem zaleca się miejscowe stosowanie chelatora w postaci kwasu dietylenotriaminopentaoctowego (DTPA). Podawanie aerozolu DTPA zaleca się również w przypadku podejrzenia o wdychanie plutonu w celu zmniejszenia depozytów płucnych.
Osobom, które zostały skażone cezem, podaje się błękit pruski, czyli heksacyjanożelazianu(II) żelaza(III) Fe4[Fe(CN6]3. Związek ten powstaje z soli żelaza(III) i heksacyjanożelazianu(II) potasu.
Skutki napromienienia może ograniczyć również właściwa opieka medyczna. Podstawowa zwiększa dwukrotnie szansę przeżycia, a intensywna nawet trzykrotnie. Od kilkudziesięciu lat są prowadzone badania nad tzw. radioprotektorami. Dotychczas przebadano kilkadziesiąt tysięcy związków pod kątem ich działania radioochronnego. Znaleziono wiele, które takie działanie przejawiają, jednak większość pozostała w fazie badań laboratoryjnych na zwierzętach. Głównymi przyczynami są wysoka toksyczność większości związków i jednakowe działanie na komórki zdrowe i nowotworowe.
tags: #podwyższona #jonizacja #kostna #przyczyny
