31-4 Biologické účinky žiarení

31-4 Biologické účinky žiarení

Nukleárny priemysel sa rozvíja po celom svete, a popri neustálej hrozbe možnosti použitia jadrových zbraní sa rozširujú aj užitočné diagnostické, či liečebné metódy, preto je vhodné vedieť, že aké poškodenie ľudských orgánov môžu vyvolať vysokoenergetické častice vstupujúce do ľudského tela. Tieto žiarenia často nazývame súhrnne len ionizujúcim žiarením. Keď látkou prelietajú rýchlo sa pohybujúce nukleárne častice, elementárne častice, alebo gama častice, vyrážajú z atómov elektróny, a vyvolajú tým v určitej miere ionizáciu látky pozdĺž svojej trajektórie. Pokiaľ tieto atómy sú súčasťou molekúl zložitých organizmov, molekuly sa môžu rozpadnúť. V biologických organizmoch (bunkách) už aj takto zdanlivo nepatrná porucha môže viesť k  narušeniu funkčnosti organizmu (bunky), k ich smrti. Fyzikálne účinky nejakého žiarenia môžeme vyjadriť množstvom energie, ktoré žiarenie odovzdá látke (väčšinou formou ionizácie) – absorbovanou dávkou. Jednotkou absorbovanej dávky je gray (vysl. [grej]), a jeden gray zodpovedá 1 joule energii odovzdanej 1 kilogramu látky. Značka jednotky grayje Gy. Niekedy sa hovorí o absorbovanej dávke len ako o dávke – keď sa uvádza jednotka gray, je zrejmé, že sa jedná o absorbovanú dávku. Jednotka gray je odvodenou jednotkou sústavy jednotiek SI (1 Gy = 1 J/kg).⁷

Žiarenie vyvoláva poškodenie tkanív, a tie rozdeľujeme do dvoch kategórií:

1. Žiarenie vyvolá patologické zmeny: živý organizmus zasiahnutý veľkou dávkou onemocnie, alebo zahynie.
2. Žiarenie vyvolá genetické poškodenie: nie len organizmus osoby zasiahnutej žiarením je poškodený, ale aj organizmus nasledujúcich generácií. Pokiaľ žiareniu je vystavená celá populácia a žiarenie je trvalé, aj keď miera žiarenia je malá, v budúcnosti môže spôsobiť vyhynutie celej populácie.

Aby u jedinca sa prejavili patologické zmeny, musí dostať relatívne vysokú dávku žiarenia. K takej situácii – ak odhliadneme od použitia jadrových zbraní – môže dôjsť hlavne pri nehodách v jadrovom priemysle⁸.

Už pri hmlovej komore sme sa stretli s tým, že alfa častice ionizujú prostredie pozdĺž svojej trajektórie silnejšie, než protón a výrazne silnejšie, než rýchlo sa pohybujúci elektrón, čo sa prejavilo v hrúbke kondenzačnej čiary, ktorú častice za sebou zanechali v hmlovej komore. Veľký rozdiel medzi protónom a elektrónom je daný tým, že pri rovnakej kinetickej energii sa elektrón pohybuje výrazne rýchlejšie, než protón. Úmerne svojmu náboju ionizujúce častice odovzdávali viac alebo menej energie prostrediu (častice alfa viac, protóny menej a elektróny ešte menej) na jednom centimetri svojej trajektórie. Toto množstvo závisí aj od energie (rýchlosti) častice. Absorbovaná dávka teda závisí od druhu častice, ktorá látkou preniká, ako aj od jej energie. Inštitúcie, ktoré sa zaoberajú ochranou zdravia pred účinkami ionizujúceho žiarenia, určili pre jednotlivé častice túto ich schopnosť. Fotónom (röntgenové i gama žiarenie) sa pripisuje tejto schopnosti koeficient 1, protónom 2, časticiam alfa a rôznym odštiepkom jadra 20, kým v prípade neutrónov je to od 2,5 do 5 (maximálnu hodnotu 5 dosahujú pri energii 20 MeV). Tieto čísla sú výsledkom meraní a vyjadrujú pomerové schopnosti častíc poškodiť molekulárne väzby látky. Častica alfa naruší za rovnakých podmienok 10 krát viac väzieb v látke, než protón, a ten zase 2-krát viac, ako častica gama.

Vieme, že odovzdaná energia sa prejaví najčastejšie v podobe ionizácie, napr. ionizácie molekúl živého organizmu, bunky, čo môže vyvolať nežiadané chemické reakcie v bunke a bunka môže zahynúť. V tele máme mnoho typov buniek, od kožných až po nervové, či bunky pohlavných orgánov. Kým bunky pokožky sa v evolúcii vyvinuli vyslovene za účelom nás chrániť, tj. sú odolné voči rôznym vplyvom, nervové bunky, či bunky pohlavných orgánov majú úplne iné prvotné poslanie. Nie je preto prekvapením, keď povieme, že bunky pohlavných orgánov podliehajú devastujúcim účinkom ionizujúceho žiarenia výrazne viac, než vrchné bunky pokožky, či vlasy. Aj táto schopnosť sa vyjadruje určitým pomerovým koeficientom. Pre pokožku je tento koeficient 0,01, kým pre pohlavné orgány 0,20. To znamená, že dané žiarenie napácha medzi bunkami pohlavných orgánov také škody, ako by napáchalo 20-krát väčšia absorbovaná dávka medzi bunkami pokožky. Pre kostnú dreň, črevá, pľúca a žalúdok je tento koeficient 0,12, pre prsia, pečeň, štítnu žľazu 0,05, povrch kostí 0,01.

Pomocou týchto dvoch typov koeficientov (typ žiarenia, typ orgánu) sa stanovuje tzv. efektívna dávka, ako súčin absorbovanej dávky a oboch typov koeficientov. Jednotkou efektívnej dávky je sievert (značka Sv, vyslovuj [sívert]), ktorá je znova J/kg. Napríklad, ak pokožka je ožiarená protónmi, a absorbovaná dávka ja 1 Gy (to je obrovská dávka), tak efektívna dávka bude 2 × 0.01 × 1 Gy = 0,02 Sv. Ak sa baník v uránových baniach nadýcha prachu nejakého alfa žiariča a jeho pľúca dostanú absorbovanú dávku 1 mGy (miligray), efektívna dávka bude 20 × 0,12 × 10−3 Gy = 2,4 × 10−3 Sv = 2,4 mSv (milisievert). Oproti prípadu pokožky je absorbovaná dávka tisíckrát menšia, ale efektívna dávka je menšia len osemkrát, čo spôsobila odlišnosť ionizujúceho žiarenia a odlišný typ zasiahnutého orgánu.

Pokiaľ žiarenie zasiahne celé telo, a v krátkej dobe (ako pri haváriách jadrových reaktorov, či použití jadrových zbraní), je zvykom vyjadrovať vzťah medzi absorbovanou dávkou a dôsledkami, než aby sa robili zložité prepočty na efektívnu dávku.

Pri absorbovanej dávke približne 1 − 2 Gy sa dôsledky ožiarenia objavia až po mesiaci a pravdepodobnosť úmrtia je okolo 5 % (do dvoch mesiacov po ožiarení). Absorbovaná dávka okolo 4 Gy je smrteľná už približne v polovine prípadov (do 6 týždňov). Bez lekárskej pomoci je dávka 6 − 8 Gy smrteľná prakticky v každom prípade (pri lekárskej pomoci sa dá prežiť v polovine prípadov). Nad absorbovanú dávku 8 Gy úmrtie nastáva v priebehu niekoľkých dní. Pri výbuchu jadrových bômb na Hirošimu a Nagasaki bola v hypocentre⁹ výbuchu absorbovaná dávka okolo 250 Gy.

Absorbovaná dávka pod 1 Gy môže byť tiež smrteľná, ale s dlhším priebehom, ak spôsobí leukémiu, alebo inú formu rakoviny.

Keď sa venujeme dôsledkom menších dávok, tak hrá úlohu trvanie žiarenia, aj rôzne iné detaily (druh žiarenia, zasiahnuté orgány a podobne), preto sa vypočítava efektívna dávka. Efektívna dávka 1 mSv za za týždeň za považuje za bezpečné (to je hranica dovolená v nukleárnom priemysle), nakoľko živé organizmy sa neustále regenerujú. To však sotva bude úplná pravda, nakoľko podľa štatistík sa rádiológovia dožívajú v  priemere o 4 roky kratšieho veku, ako ostatní lekári tej istej fakulty, a to napriek tomu, že sa minimalizuje všetkými možnými prostriedkami dávka, ktorú rádiológovia dostanú.

Účinky žiarenia na pohlavné orgány je dôležitá, nakoľko tieto poškodenia sa kumulujú, a efektívna dávka 100 mSv nahromadená za mnohé roky je rovnako nebezpečná, akoby orgány boli vystavené tomuto žiareniu len za pár minút. Pohlavné bunky ožiarené časticami (tiež röntgenovým žiarením) poškodzujú chromozómy, a môžu vyvolať mutácie u potomkov. V evolúcii môže mutácia (zriedkavo) vytvoriť jedinca, ktorý bude mať vyššie šance na prežitie, a niekoľko priaznivých mutácií môže mať priaznivý vplyv pre daný druh. Takéto mutácie sú ale skutočne vzácne. Vo vyváženej ľudskej spoločnosti, v ktorej sa ochraňuje život každého jedinca, mutácie predstavujú aj veľkú dávku nebezpečia. Za normálnych okolností sme všetci vystavení prirodzeným mutáciám, ktoré sú dôsledkom tepelného pohybu molekúl, prirodzenej rádioaktivity pôdy i neustáleho kozmického žiarenia. Priemerná ročná efektívna dávka na svete predstavuje 3 mSv, z  čoho približne 0,6 mSv pochádza z umelej ľudskej aktivity, zvyšok je zo spomínaných prirodzených zdrojov. Súhrnná efektívna dávka, ktorú dostane človek z prírodných zdrojov za svojich prvých 40 rokov života predstavuje okolo 100 mSv (90 % detí v západnom svete sa rodičom narodí než dosiahnu 40 rokov). Zvyšok dávky závisí od povolania, lekárskych diagnostických vyšetrení, či iných zdrojov ionizujúceho žiarenia. (Zröntgenovanie zubu predstavuje dávku okolo 0,02 mSv, ale jednorazové CT vyšetrenie môže predstavovať dávku až 25 mSv.)

Celosvetová rádioaktívna záťaž z atmosférických jadrových pokusov predstavoval efektívnu dávku 0,15 mSv za rok, čo vďaka zákazu jadrových výbuchov v atmosfére v roku 1963 klesol do roku 2000 na úroveň 0,005 mSv za rok. Nehody jadrových reaktorov i vojenské nehody prispeli k efektívnej dávke hlavne v danej lokalite¹⁰.

Prirodzená rádioaktivita, žiarenie pozadia v značnej miere závisí aj od nadmorskej výšky, v ktorej žijeme. Kozmické žiarenie na úrovni mora predstavuje 0,26 mSv za rok. Vo výške 1 km nad morom to je už 0,6 mSv za rok. Ak niekto žije v horách, vo výške 3 km nad morom, jeho ročná efektívna dávka už bude 1,9 mSv. Ak niekto strávi svoj život lietaním vo výške 10 km, musí počítať s ročnou efektívnou dávkou 70 mSv. V  tomto smere sú rekordérmi astronauti, ktorých denná dávka je okolo 1 mSv, a to sú ešte stále čiastočne chránení magnetickým poľom Zeme. Misie smerujúce na Mesiac, či Mars vyžadujú nezanedbateľnú ochranu. Pri slnečnej erupcii by nechránený astronaut mohol dostať jednorazovú efektívnu dávku až 10 Sv, čo je smrteľná dávka. K  zníženiu tejto dávky na 1 mSv je potrebná skoro 2 cm hrubá hliníková stena, preto sa projektujú iné spôsoby ochrany (využitie prepravovanej vody a podobne).