19.10: Biologiczne skutki promieniowania

Wszystkie radioaktywne nuklidy emitują wysokoenergetyczne cząstki lub fale elektromagnetyczne. Kiedy promieniowanie to napotyka żywe komórki, może powodować nagrzewanie, zrywać wiązania chemiczne lub jonizować cząsteczki. Najpoważniejsze uszkodzenia biologiczne powstają, gdy te emisje promieniotwórcze fragmentują lub jonizują cząsteczki. Na przykład cząstki α i β emitowane w reakcjach rozpadu jądrowego mają znacznie wyższe energie niż zwykłe energie wiązań chemicznych. Kiedy cząstki te uderzają i wnikają w materię, wytwarzają jony i fragmenty molekularne, które są niezwykle reaktywne. Uszkodzenia, jakie wyrządza to biomolekułom w organizmach żywych, mogą powodować poważne zakłócenia w normalnych procesach komórkowych, obciążając mechanizmy naprawcze organizmu i potencjalnie powodując chorobę, a nawet śmierć.

Istnieje duża różnica w wielkości biologicznych skutków promieniowania niejonizującego (na przykład światła i mikrofal) oraz promieniowania jonizującego, emisji wystarczająco energicznych, aby wybić elektrony z cząsteczek (na przykład cząstek α i β, promieni γ, promieni rentgenowskich i wysokoenergetycznego promieniowania ultrafioletowego).

Energia pochłonięta z promieniowania niejonizującego przyspiesza ruch atomów i molekuł, co jest równoznaczne z podgrzaniem próbki. Chociaż systemy biologiczne są wrażliwe na ciepło, przed osiągnięciem niebezpiecznych poziomów niezbędna jest duża ilość promieniowania niejonizującego. Promieniowanie jonizujące może jednak powodować znacznie poważniejsze uszkodzenia poprzez zrywanie wiązań lub usuwanie elektronów z cząsteczek biologicznych, zaburzając ich strukturę i funkcję. Uszkodzenia można również wyrządzić pośrednio, najpierw jonizując_H2O, który tworzy jon_H2O⁺, który reaguje z wodą, tworząc jon hydroniowy i rodnik hydroksylowy.

Ponieważ rodnik hydroksylowy ma niesparowany elektron, jest wysoce reaktywny. Ten rodnik hydroksylowy może reagować z wszelkiego rodzaju cząsteczkami biologicznymi (DNA, białkami, enzymami itd.), powodując uszkodzenia cząsteczek i zakłócając procesy fizjologiczne.

Energia dostarczana przez każdy rodzaj promieniowania do tkanek jest inna i jest mierzona w postaci dawki pochłoniętej, której jednostką SI jest kolor szary. Osadzanie się jednego dżula energii w jednym kilogramie materiału odpowiada jednej szarości. Jednostka CGS, która jest radem, jest również szeroko stosowana (1 rad = 0,01 Gy).

Odpowiedź biologiczna na pochłoniętą dawkę każdego rodzaju promieniowania jest opisana przez współczynnik wagowy promieniowania, który zależy od siły jonizującej i zdolności przenikania. Dawka pochłonięta przez współczynnik wagowy promieniowania jest znana jako dawka równoważna, która jest mierzona w siwercie w jednostkach SI. Jednostka CGS, którą jest rem, jest również szeroko stosowana (1 rem = 0,01 Sv).

Tabela 1. Współczynniki ważenia promieniowania.

Różne tkanki ciała mają różną wrażliwość na promieniowanie jonizujące. Jeżeli narażenie jest skoncentrowane w jednym obszarze ciała lub gdy dawka równoważna w inny sposób nie jest równomierna w całym ciele, stosuje się współczynniki wagowe tkanek w celu określenia całkowitego uszkodzenia ciała przy nierównej dawce. Dawkę skuteczną dla organizmu oblicza się poprzez zsumowanie ważonych dawek równoważnych dla wszystkich narządów.

Do wykrywania i pomiaru promieniowania używa się kilku różnych urządzeń, w tym liczników Geigera-Müllera (GM), liczników scyntylacyjnych i dozymetrów promieniowania. Licznik Geigera-Müllera składa się z dwóch części: cylindrycznej rurki wypełnionej gazem obojętnym, takim jak argon lub hel, oraz licznika. Wewnątrz rurki znajduje się para elektrod o wysokim napięciu. Każde promieniowanie jonizujące uruchamia kaskadę jonizacji cząsteczek gazu, tworząc prąd między anodą a katodą dzięki strumieniowi elektronów, który jest zbierany, wzmacniany, wyświetlany przez licznik jako liczby na minutę lub rozpady na sekundę. Liczniki GM nie są w stanie rozróżnić typów promieniowania, ale warianty z kompensacją energii mogą mierzyć dawkę, a tym samym mogą być używane jako dozymetry osobiste. Licznik scyntylacyjny zawiera scyntylator – materiał, który emituje światło po wzbudzeniu przez promieniowanie jonizujące – oraz czujnik, który przekształca światło w sygnał elektryczny. Dozymetry promieniowania mierzą również promieniowanie jonizujące i są często używane do określania osobistego narażenia na promieniowanie. Powszechnie stosowanymi typami są elektroniczne dozymetry osobiste, identyfikator filmowy, dozymetry termoluminescencyjne i dozymetry z włókien kwarcowych.

Skutki promieniowania zależą od rodzaju, energii i lokalizacji źródła promieniowania oraz długości ekspozycji. Przeciętny człowiek jest narażony na promieniowanie tła, w tym promienie kosmiczne ze słońca i radon z uranu w ziemi, promieniowanie z ekspozycji medycznej, w tym tomografię komputerową, testy radioizotopowe, promieniowanie rentgenowskie i tak dalej; oraz niewielkie ilości promieniowania z innych działań człowieka, takich jak loty samolotami (które są bombardowane zwiększoną liczbą promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery), radioaktywność z produktów konsumpcyjnych i różnych radionuklidów, które dostają się do naszego organizmu podczas oddychania (na przykład węgiel-14) lub przez łańcuch pokarmowy (na przykład potas-40, stront-90 i jod-131).

Krótkotrwała, nagła dawka dużej ilości promieniowania może spowodować szeroki zakres skutków zdrowotnych, od zmian w chemii krwi po śmierć. Krótkotrwałe narażenie na dziesiątki remów promieniowania prawdopodobnie spowoduje bardzo zauważalne objawy lub chorobę; szacuje się, że ostra dawka 500 rems lub 5 Sv ma 50% prawdopodobieństwo spowodowania śmierci ofiary w ciągu 30 dni od ekspozycji. Narażenie na emisje promieniotwórcze ma skumulowany wpływ na organizm w ciągu życia człowieka, co jest kolejnym powodem, dla którego ważne jest, aby unikać niepotrzebnego narażenia na promieniowanie.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 21.6: Biologiczne skutki promieniowania.