Działanie promieniowania jonizującego na organizmy żywe

Działanie promieniowania na organizm żywy łatwiej zrozumieć, jeśli omówi się elementy budowy komórki. Komórka składa się z dwu zasadniczych części: protoplazmy wypełniającej całą komórkę i z jądra zajmującego małą jej część. Jądro spełnia ważną rolę w życiu komórki. Jeśli uszkodzimy lub usuniemy część protoplazmy z komórki, to jej regeneracja jest możliwa, jeśli uszkodzimy lub usuniemy jądro komórki, to komórka ginie. W jądrze znajdują się ciała o podłużnym kształcie, które noszą nazwę chromosomów; ich liczba jest we wszystkich komórkach z wyjątkiem rozrodczych, parzysta. Chromosomy zawierają kwas dezoksyrybonukleinowy DNA i kwas rybonukleinowy RNA. Cząsteczka DNA składa się z dwóch, spiralnych łańcuchów polinukleotydowych, z których każdy zawiera cztery formy białkowe, tzw. nukleotydy, stanowiące pochodne zasad organicznych: adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny. Cała informacja genetyczna w komórce jest zawarta w uporządkowaniu, w jakim zasadowe nukleotydy występują w cząsteczce DNA. Zmiany w cząsteczce DNA, wywołane dowolnymi przyczynami, nazywamy mutacjami. Mutacje wywołane w komórkach rozrodczych są przekazywane potomstwu i powodują zmiany cech dziedzicznych. Większość występujących mutacji jest szkodliwa. Promieniowanie może wywołać bezpośrednie zmiany w DNA i RNA poprzez rozrywanie wiązań wodorowych między łańcuchami oraz wprowadzanie defektów w sekwencjach nukleotydów. Oprócz bezpośrednich uszkodzeń cząsteczek DNA i RNA przez promieniowanie, mogą zachodzić również uszkodzenia pośrednie wywołane jonizacją cząsteczek wody wchodzącej w skład protoplazmy. Cząsteczki wody rozpadają się na jony H⁺ i OH^-. Jony OH^- przyłączają rozpuszczony w protoplazmie tlen i tworzą bardzo aktywne chemicznie cząsteczki HO₂^- i cząsteczki wody utlenionej H₂O₂, które wchodzą w reakcje chemiczne z cząsteczkami nukleotydów niszcząc w ten sposób łańcuchy DNA i RNA.

Działanie promieniowania na materię żywą polega głównie na jonizacji i wzbudzaniu jej atomów i cząsteczek, co powoduje powstawanie mutacji oraz niszczenie komórek. W celu ilościowego określenia wpływu promieniowania na materię żywą wprowadzono pojęcie tzw. dawki pochłoniętej. Jednostka dawki pochłoniętej to grej [Gy], 1 Gy to dawka promieniowania odpowiadająca pochłonięciu w 1 kg tkanek energii promieniowania równej 1 J, czyli

1 Gy = 1 J/kg

Współczynnik jakości promieniowania Q

Ponieważ szkodliwy skutek biologiczny wywołany jednakowymi dawkami pochłoniętymi (D) ale pochodzącymi od różnych cząstek zależy nie tylko od rodzaju cząstek, lecz również od ich energii, dlatego wprowadzono pojęcie równoważnika dawki pochłoniętej H określonego wzorem

H = DQ,

gdzie Q - współczynnik jakości promieniowania uwzględniający rodzaj i energię cząsteczek, H - równoważnik dawki. Jednostką jest 1 J/kg, jednak dla odróżnienia dawki pochłoniętej (D), jednostce równoważnika dawki H nadano nazwę siwert (Sv),

1 Sv = 1 Gy ^. Q.

Okazuje się, że napromieniowanie organizmu jednakowymi równoważnikami dawek (H) wywołuje w różnych tkankach różne skutki, co uwzględnia się przez wprowadzenie pojęcia skutecznego równoważnika dawki H_E

H_E = DQN

N - współczynnik uwzględniający udział masy poszczególnych tkanek organizmu w masie całego ciała i ich czułość na uszkodzenie radiacyjne.

Załóżmy, że równoważnik dawki jest stały (H = const) w całym ciele, którego masa wynosi M. Jest ona równa sumie masy m_i poszczególnych tkanek. Tkankom przypisujemy pewną wielkość w_i ujmującą ich indywidualną wrażliwość na promieniowanie. Gdy D = const i Q = const, to energia pochłonięta w całym ciele będzie równa DQN. Rozłoży się ona równomiernie w poszczególnych tkankach.

MDQN = DQ(m₁w₁ + m₂w₂ + ...)

Ponieważ zgodnie z założeniami w całym ciele równoważnik dawki H = DQ = const, więc wielkości te po obu stronach otrzymanego równania zredukują się. Następnie po obustronnym podzieleniu równania przez M otrzymujemy zależność

gdzie Ni = m_iw_i/M jest ważonym współczynnikiem wrażliwości i-tej tkanki na promieniowanie.

Współczynniki ważone wrażliwości organizmu ludzkiego na promieniowanie

Gdy w wyniku napromieniowania całego organizmu równoważnik dawki H w całym ciele będzie jednakowy, wtedy współczynnik N = 1. Jednak w przypadku lokalnego napromieniowania ciała należy uwzględnić skuteczny równoważnik dawki H_E wywołany w danej masie ciała zawierającej określone tkanki i organy. Na przykład, gdy zostaną napromieniowane płuca i gonady należy przyjąć sumę odpowiednich współczynników z tabeli, w tym wypadku N = 025 + 0,12 = 0,37. Gdy zaś zostanie napromieniowana tylko część ciała człowieka należy oszacować względny udział masy tej części ciała w całości. Np., gdy zostaną napromieniowane mięśnie, które, załóżmy, że stanowią 25% masy ciała, to wtedy obliczając skuteczny równoważnik dawki H, musimy przyjąć współczynnik N = 0,25 ^. 0,3 = 0,075.

Po skażeniu organizmu człowieka substancją promieniotwórczą jej stężenie bardzo rzadko rozkłada się równomiernie w ciele. Zwykle różne pierwiastki gromadzą się w różnych tkankach i organach, np. stężenie jodu w tarczycy zdrowego człowieka jest ok. 4000 razy większe niż w reszcie organizmu. Skażenie organizmu jodem promieniotwórczym naraża przede wszystkim tarczycę i jej otoczenie. Dawka pochłonięta w tarczycy i jej sąsiedztwie w takim przypadku będzie ok. 1000 razy większa niż w reszcie ciała. Mimo stosunkowo małej wrażliwości tarczycy na promieniowanie (N = 0,03) skuteczny równoważnik dawki (H_E) dla organizmu może okazać się niebezpiecznie groźny. Stała wartość dawki pochłoniętej równomiernie w całym ciele może pochodzić przede wszystkim ze źródła promieniowania położonego poza organizmem oraz od pierwiastków promieniotwórczych wchodzących w skład płynów ustrojowych, do których można zaliczyć tryt i sód. Inne pierwiastki promieniotwórcze po wniknięciu do ciała lokalizują się zwykle wybiórczo w różnych tkankach organizmu, powodując różne skuteczne równoważniki dawki (H_Ei = HN_i), których skutki dla całego organizmu sumują się. Aktywność substancji promieniotwórczej po wniknięciu do organizmu żywego będzie z czasem malała w wyniku dwóch równolegle występujących procesów

- naturalnego rozpadu promieniotwórczego

- biologicznego wydalania pierwiastków z organizmu w wyniku wymiany materii z otoczeniem.

Oba procesy opisane są takimi samymi funkcjami wykładniczymi różniącymi się od siebie różnymi czasami połowicznego zaniku. Jeżeli przez T_r oznaczymy czas połowiczny promieniotwórczego rozpadu, a przez T_w czas połowicznego wydalania danej substancji promieniotwórczej z organizmu, to możemy napisać prawo zaniku aktywności (A) danego pierwiastka promieniotwórczego w ciele lub tkance:

A₀ - aktywność początkowa dla t = 0,

T_e - efektywny czas połowicznego zaniku. Związek między T_r i T_w wyraża zależność:

Na przykład czas połowicznego rozpadu trytu wynosi 12,3 lat, a jego połowiczny czas biologicznego wydalania wynosi 10 dni. W przypadku radioaktywnego jodu ¹³¹J jego czas połowicznego rozpadu wynosi 8,1 dnia, a połowiczny czas biologicznego wydalania wynosi 120 dni. Stąd widać, że w przypadku trytu równoważnik dawki będzie zależał tylko od T_w, w przypadku jodu ¹³¹J zaś od Itr

W zakresie oddziaływania promieniowania na organizmy żywe często są używane różne jednostki nielegalne, takie jak rad i rem. Rad jest jednostką dawki pochłoniętej, przy czym 1 rad = 0,01 Gy (0,01 J/kg), rem zaś jest jednostką efektywnego równoważnika dawki, gdzie 1 rem = 1 rad ^. Q ^. N, czyli 1 rem = 0,01 Sv.