Promieniowanie jonizujące i niejonizujące. Wpływ promieniowania jonizującego na organizm ludzki

Jako promieniowanie rozumie się wszelkie procesy wysyłania i przekazywania energii w przestrzeni. Energia może być przekazywana w postaci
* energii fali - wtedy mówi się o promieniowaniu falowym
* energia cząstki - jest to promieniowanie zwane cząsteczkowym lub korpuskularnym. Zalicza się tutaj np. promieniowanie złożone z cząstek alfa, beta lub neutronów.

Na podstawie energii cząstek lub fotonów tworzących dany rodzaj promieniowania promieniowanie można podzielić na dwa rodzaje. Wyróżnia się mianowicie promieniowanie jonizujące i niejonizujące.

Pod pojęciem promieniowania niejonizującego rozumie się promieniowanie elektromagnetyczne z tzw. optycznej części widma. Zakres ten obejmuje zatem: światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe oraz promieniowanie podczerwone.
Na wniosek Międzynarodowej Komisji do Spraw Ochrony przed Promieniowaniem Niejonizującym w latach 90 - tych do promieniowania niejonizującego zostały włączone również mikrofale.
Jak już wyżej zostało powiedziane podstawą tej klasyfikacji promieniowania jest energia. W przypadku promieniowania niejonizującego największa wartość energii, jaką mogą posiadać fotony tego promieniowania wynosi około 0.99J. Ponieważ to wartość tylko nieco wyższa od energii jonizacji niektórych atomów dlatego fotony o takiej energii mogą wywołać tylko pojedyncze jonizacje. Z tego względu promieniowania ultrafioletowego nie zalicza się do promieniowania jonizującego.
Energia drugiego rodzaju promieniowania czyli promieniowania jonizującego jest wystarczająca do tego aby następowało odrywanie elektronów od atomów. Dochodzi zatem do aktów jonizacji. Zatem po przejściu cząstki jonizującej w ośrodku wzdłuż jej toru tworzą się jony dodatnie i elektrony. Jeżeli cząstki promieniowania obdarzone są ładunkiem elektrycznym czyli np. cząstki lub to dochodzi do tzw. jonizacji bezpośredniej, czyli bezpośredniego odrywania elektronów od atomów lub cząstek.
Oprócz jonizacji bezpośredniej możliwa jest także jonizacja pośrednia. Jest to proces zdecydowanie bardziej złożony. Pośrednio jonizują fotony oddziałując z powłokami elektronowymi oraz neutrony, które oddziałują z jądrami atomów.
Zmiany jakie wywołuje promieniowanie jonizujące w tkankach biologicznych uzależnione jest w głównej mierze od ilości energii, która zostanie w tej tkance zaabsorbowana. Tak się bowiem dzieje, że promieniowanie jonizujące przechodząc przez ciało człowieka deponuje w nim swoją energię. Ilość tej energii określa wielkość zwana dawką pochłoniętą. Jest to energia zdeponowana w danej masie ciała. Jednostką dawki pochłoniętej jest 1 grej [Gy]. 1 grej jest to dawka odpowiadająca pochłonięciu w 1 kilogramie materii energii padającego promieniowania, o wartości 1 dżula.
Dawka pochłonięta nie dostarcza jednak całej informacji na temat wpływu danego promieniowania na tkankę ludzką. Dlatego konieczne stało się uwzględnienie także rodzaju promieniowania oraz rodzaju narażonej na to promieniowanie tkanki.

Dlatego tez w ochronie radiologiczne wprowadza się dodatkowe wielkości. Są to:
* równoważnik dawki - bierze pod uwagę także rodzaj promieniowania
* efektywny równoważnik dawki - uwzględnia rodzaj tkanki.

Obie wielkości wyrażają się w jednostkach zwanych siwertami (Sv).
Dla każdego jest jasne, że nie da się całkowicie wyeliminować promieniowania z życia człowieka. Należy jednak zrobić wszystko, żeby wpływ tego promieniowania maksymalnie ograniczyć. Wg jednej z zasad ochrony radiologicznej dawki otrzymane powinny być tak małe jak to jest możliwe do osiągnięcia.

W celach ochronnych zostały opracowane przez Państwową Agencję Atomistyki specjalne normy dotyczące tzw. dawek granicznych promieniowania (dotyczy tzw. równoważników dawki).
I tak dla ludzi narażonych zawodowo na promieniowanie efektywny równoważnik dawki nie może przekraczać 50 mSv na rok. Natomiast dla pozostałych ludzi efektywny równoważnik dawki promieniowania ze źródeł naturalnych i medycznych nie powinien przekraczać 1 mSv rocznie.
Istnieją również normy dotyczące aktywności importowanej żywności - wyraża się ją jako sumę aktywności promieniotwórczej izotopów cezu.

Przykładowo można wymienić następujące limity :
- 370 Bq / kg - dla mleka i jego przetworów oraz produktów dla dzieci
- 600 Bq / kg - dla pozostałych produktów

Warto zastanowić się skąd bierze się promieniowanie wokół nas. Otóż źródła promieniowania można podzielić na dwie grupy. Mogą być zatem źródła naturalne oraz źródła sztuczne. Wśród źródeł naturalnych na pierwszym miejscu należy wymienić oczywiście promieniowanie kosmiczne. Promieniowanie emituje również skorupa ziemska. Substancje promieniotwórcze ze skorupy ziemskiej oddziałują na organizm człowieka nie tylko z zewnątrz ( z gleby, ścian budynków), ale także dostają się do wnętrza ciała z pokarmem lub w procesie oddychania. Naturalne promieniowanie otoczenia pochodzi od 50 radionuklidów występujących na Ziemi. W większości należą one do czterech szeregów promieniotwórczych czyli: uran - rad, uran - aktyn, tor i neptun.
Niedawne badania pozwoliły na stwierdzenie, że w przypadku dawek pochodzących od źródeł naturalnych największy udział ma dawka pochodząca od radonu. Jest to pierwiastek występujący w postaci gazowej. Powstaje z rozpadu radu. Radon znajduje się w powietrzu, szczególnie dużo gromadzi się go w nie wietrzonych pomieszczeniach. Dostaje się tam ze ścian budynków oraz z wody. Sam radon charakteryzuje się mała aktywnością chemiczną, ale również ulega rozpadowi promieniotwórczemu dając groźne dla zdrowia pochodne. Mogą one gromadzić się w płucach emitując cząstki alfa. Mogą one powodować niszczenie komórek.
Oprócz źródeł naturalnych da całkowitej dawki promieniowania otrzymanej przez człowieka przyczyniają się także sztuczne źródła promieniowania. Może to być promieniowanie powstające podczas wykorzystywania energii jądrowej .
Napromienieniu ze źródeł sztucznych człowiek może także ulec np. wykonując badanie radiologiczne, radioizotopowe lub poddając się terapii nowotworowej.
Szacuje się , że ze źródeł medycznych średnia roczna dawka na człowieka wynosi 0.7 mSv.
Nie każdy zdaje sobie z tego sprawę, że promieniowanie jonizujące emitują również zegarki zawierające materiał luminescencyjny, kineskopy telewizyjne czy soczewki aparatów fotograficznych.

Podsumowując można powiedzieć, że zjawisko promieniotwórczości związane jest z izotopami promieniotwórczymi, naturalnymi bądź sztucznymi. Jądra tych izotopów są nietrwałe i rozpadając się emitują promieniowanie. Średnia liczba jąder izotopu promieniotwórczego rozpadająca się w danym przedziale czasu jest proporcjonalna do ogólnej liczby tych jąder w preparacie promieniotwórczym i nosi nazwę aktywności źródła. Jest to wielkość charakteryzująca izotop promieniotwórczy. Aktywność wyraża się w bekerelach (Bq). Czas, w którym ulega rozpadowi połowa ilości jader izotopu promieniotwórczego nosi nazwę czasu połowicznego rozpadu.

Promieniowanie jonizujące może wywierać różnoraki wpływ na organizm ludzki.
Podczas poszukiwań przyczyn inaktywacji komórek pod wpływem promieniowania zaczęto dochodzić do wniosku, że musi to być związane z trafieniem w jakieś wrażliwe miejsce. I tak od teorii trafienia naukowcy przeszli do teorii tarcz. Tarczą określane jest szczególnie wrażliwe miejsce w komórce. Teoria ta mówi, że im mniej trafień jest potrzebnych do inaktywacji komórki tym większy jest ten obszar o dużej wrażliwości.
Kolejna teoria powstała w roku 1954. Jest to tzw. teoria uwalniania enzymów. Według tej teorii do negatywnych skutków oddziaływania promieniowania dochodzi ponieważ promieniowanie powoduje uszkodzenie błon biologicznych i uwolnienie w skutek tego rozmaitych enzymów trawiennych.

W latach sześćdziesiątych sformułowano kolejną teorię. Została ona nazwana teorią toksyn. I tak teoria ta sugeruje, że pod wpływem promieniowania dochodzi do powstania różnych toksyn. Mogą to być pochodne chinonowe, które powstają poprzez utlenienie tyrozyny.
Jeśli chodzi o obecne poglądy to naukowcy są zgodni co do tego, że promieniowanie jonizujące wywołuje skutki na poziomie molekularnym w komórkach i organellach. Wrażliwość komórek na promieniowani zależy od wielu czynników, m.in. od fazy cyklu komórkowego, w której się znajdują w momencie ekspozycji na promieniowanie. Przyjmuje się, że wrażliwość komórek na promieniowanie jest proporcjonalna do ich aktywności proliferacyjnej.

Zmiany, jakie mogą być indukowane w komórkach:
- upośledzenie wielu funkcji komórki
- natychmiastową śmierć po napromienieniu lub śmierć po kilku podziałach.
- różnego rodzaju mutacje
- zahamowanie zdolności podziałów
Istnieje również zgodność co do tego, że pierwotne uszkodzenia popromienne dotyczą przede wszystkim DNA komórki oraz błon biologicznych.

Cząsteczki DNA mogą być one uszkadzane bezpośrednio lub pośrednio. Uszkadzanie pośrednie związane jest z oddziaływaniem wolnych rodników oraz nadtlenków. Oczywiście uszkodzeniu mogą ulegać także inne molekuły, chociażby proteiny.
Różnorakie doświadczenia już wcześniej wykazywały, że dużo bardziej wrażliwe od cytoplazmy jest jądro. Jeśli zaś chodzi o cytoplazmę to najbardziej wrażliwe na promieniowanie są enzymy, które w swojej budowie posiadają grupy SH. Wiadomo także , że promieniowanie powoduje powstawanie nieszczelności w błonach biologicznych i wskutek tego enzymy mogą wyciekać. Na tym tle może dochodzić zarówno do zwiększania jak i zmniejszania aktywności określonych enzymów w komórkach.

Materiał genetyczny może zostać uszkodzony zarówno w wyniku bezpośredniego trafienia jak i później pod wpływem działania substancji reaktywnych w komórce.
Rozważanie skutków wpływu promieniowania na komórkę jest procesem szalenie skomplikowanym. Należy bowiem brać pod uwagę fakt, iż w komórce znajdują się różne związki, które są radioprotektorami i jak i takie które sprzyjają powstawaniu negatywnych zmian.
I tak np. pomniejszenie ilości tlenu w komórkach może mieć działanie ochronne. Podobnie zresztą jak dehydratacja oraz zamrażanie.
Jednak okazuje się , że żadne metody nie są w stanie ochronić komórki przed pewnym minimalnym stopniem szkód jakie wywołuje promieniowanie w komórce. Można więc z całym przekonaniem stwierdzić, że nawet najmniejsza dawka pochłonięta przez komórkę wywołuje uszkodzenia.
Jednak komórka nie jest całkowicie bezbronna. Niektóre bowiem komórki są zdolne do spontanicznej naprawy uszkodzeń, oczywiście pod warunkiem, że tych zmian nie jest zbyt dużo.
Większość tkanek ludzkiego organizmu charakteryzuje się dużą zawartością wody a więc także i wodoru. Należy fakt ten brać pod uwagę podczas przewidywania skutków oddziaływania na organizm strumienia protonów i neutronów. Z praw mechaniki wynika bowiem, że proces przekazywania energii jest szczególnie efektywny jeśli masy oddziałujących cząstek są takie same lub zbliżone. A wiadomo, że masy protonów i neutronów są zbliżone do masy wodoru.

Ogólnie skutki oddziaływania promieniowania na organizm dzieli się na następujące grupy:
- skutki somatyczne - należą tutaj zmiany w tkankach i narządach pojawiające się w różnych okresach czasu po ekspozycji na promieniowanie. Udaje się jednak wykazać, że istniej związek powstałych zmian z dawką pochłoniętą. Mogą występować odczyny popromienne: mózgowe, szpikowe, skórne itp.
- skutki somatyczno - stochastyczne - są to późne skutki napromienienia. W tym przypadku nie można wykazać bezpośredniego związku między dawką a skutkiem bezpośrednio po napromienieniu. Można to zrobić dopiero stochastycznie. Do tej grupy skutków zalicza się : białaczkę, nowotwory narządów wewnętrznych, wady rozwojowe itp.
- skutki genetyczne - są także skutkami późnymi, objawiają się w zwiększonej częstości mutacji w komórkach.

Ochrona przed promieniowaniem może odnosić się zarówno do poszczególnych narządów jak i konkretnych tkanek czy też całego organizmu podczas napromieniania.
Ochrona narządów czy też poszczególnych części ciała polega na zabezpieczeniu ich za pomocą pokryw wykonanych z materiałów osłabiających lub całkowicie pochłaniających promieniowanie.
Możliwe jest także zastosowanie chemicznych środków o charakterze radioprotekcyjnym. Badania nad tymi środkami rozpoczęły się w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Radioprotektory są to takie substancje, które podane do organizmu lub wprowadzone do środowiska bezpośrednio przed napromienieniem powodują obniżenie poziomu efektów popromiennych. Są natomiast zupełnie nieskuteczne w przypadku podania po napromienieniu.
Okazuje się, że w komórkach istnieją procesy które potencjalizują pierwotne uszkodzenia popromienne. I właśnie radioprotektory chemiczne mają za zadanie przeciwdziałać tym procesom potencjalizującym. Środki, które przeciwdziałają potencjalizacji fizycznej można podzielić na dwie grupy. Pierwsza grupa to środki, które zatrzymują procesy tworzenia się wolnych rodników. W tej grupie znajduje się np. serotonina, cyjanki, azydki.
Druga grupa to środki powodujące inaktywację wolnych rodników. Należą tutaj związki tiulowe oraz związki chelatujące.
Następną grupą protektorów są środki, które zapobiegają procesom potencjalizacji biochemicznej. Substancje te generalnie dzieli się na dwie grupy w zależności od bezpośredniej funkcji.

I tak wyróżnia się:
* środki, które chronią struktury biologiczne
* środki, które powodują inaktywację enzymów hydrolitycznych
* środki, które uzupełniają braki energetyczne

Ochrona przed promieniowaniem jest możliwa także dzięki biologicznym radioprotektorom. Dzięki nim możliwe jest takie przestawienie komórek w cyklu podziałowym , aby były one jak najmniej promieniowrażliwe. Środki biologiczne są jednak skuteczne tylko przy małych dawkach promieniowania. Różnica w stosunku do środków chemicznych jest taka, że są skuteczne także gdy zostaną podane po napromienieniu. I dodatkowo należy wspomnieć, że są mało albo prawie w ogóle nietoksyczne dla organizmu. Niestety są także mniej skuteczne.
Badania nad znalezieniem idealnego radioprotektora trwają już od bardzo wielu lat. Jak do tej pory jednak nie wynaleziono środka chemicznego całkowicie bezpiecznego dla organizmu. Ideałem byłby oczywiście środek chroniący człowieka przed śmiertelnymi dawkami promieniowania jonizującego. Wydaje się jednak, że ze względu na bardzo rozległe i praktycznie natychmiastowe zabójcze działanie takiego promieniowania wynalezienie takiego środka jest mało prawdopodobne.

Na razie wiec pozostaje nam stosowanie się do trzech podstawowych zasada bezpieczeństwa. Należy zatem pamiętać, że:
- im krótszy czas ekspozycji na promieniowanie tym mniejszą dawkę otrzyma człowiek
- im dalej od źródła promieniowania tym bezpieczniej.
- osłony z odpowiednio dobranych materiałów osłabiają promieniowanie zmniejszając zagrożenie..