5. Die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung

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1 Bio/Che HS11/12 Name/Klasse: 5. Die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung Geändert nach: ETH-Leitprogramm: Radioaktivität, H.-P. Dreyer (Hrsg), Man stelle sich vor, es gäbe eine Vorschrift, dass man sich pro Jahr nur 95 Min der direkten Sonnenstrahlung aussetzen darf. Diese Forderung müsste erhoben werden, würden die Strahlenschutzgrenzwerte für ionisierende Strahlung auch auf die nichtionisierende UV-Strahlung der Sonne ausgedehnt. Wie aber werden solche Grenzwerte festgelegt? Die Kenntnisse über die Wirkung radioaktiver Strahlung auf Organismen basieren vor allem auf Versuchen mit Zellkulturen und Tieren, den tragischen Folgen der Atombombenabwürfe des 2. Weltkriegs, den Atombombentests während des Kalten Krieges (und danach), Unfällen wie Tschernobyl, Three- Miles-Island und Fukushima sowie den Nebenwirkungen von Röntgenuntersuchungen und Krebsbestrahlungen. Trotz des Gefahrenpotenzials durch den Umgang mit radioaktiven Isotopen und anderen Strahlungsquellen darf aber nicht vergessen werden, dass Radioaktivität etwas Natürliches ist, das um uns und in uns existiert und wirkt. Strahlung löst z.b. Mutationen aus und beeinflusst so massgebliche den Verlauf der Evolutionsgeschichte, und radioaktive Zerfälle im Erdinnern liefern die Wärmeenergie, die den Erdkern flüssig erhält und dadurch das Magnetfeld induziert, das den Grossteil der gefährlichen, kosmischen Strahlen von der Erde ablenkt. Aufgabenblock 5.1 Biologische Grundkenntnisse Als erstes müssen einige biologische und chemische Grundbegriffe klar sein, was ihr am besten in der Gruppe besprecht. 1. Radikal Atome oder Moleküle mit ungepaarten Valenzelektronen 2. Funktion der Desoxyribonukleinsäure (DNS/DNA) Träger der Erbinformation 3. Aufbau der Desoxyribonukleinsäure (DNS/DNA) Doppelhelix aus komplementären Nukleotidpaaren. Die zwei Stränge des Rückgrats bestehen aus Zuckermolekülen (Deoxyribose), die über Phosphatmoleküle miteinander verbunden sind. Jedes Zuckermolekül ist mit je einer der vier Basen A (Adenin), T (Thymin), G (Guanin) oder C (Cytosin) verbunden, die die eigentlichen «Buchstaben» der Erbinformation bilden. A steht immer T gegenüber und G immer C 4. Gesamtlänge und Stückelung der Desoxyribonukleinsäure (DNS/DNA) beim Menschen. ca. 2 x 3.1 Mrd. Basenpaare, ca. 2 m Gesamtlänge, geteilt in 2 x 23 Stücke (Chromosomen) 5. Chromosom Hochkondensierte DNA, die in Form leicht anfärbbarer Körperchen im Lichtmikroskop sichtbar sind. DNA kommt in dieser Form nur unmittelbar vor einer Zellteilung vor. 6. Mitose normale Zellteilung 7. Meiose Zellteilung, meist zur Bildung von Geschlechtszellen (Gameten) durch Halbierung der Anzahl an Chromosomensätzen (Reduktionsteilung) Kantonsschule Kreuzlingen, Klaus Hensler Che11_Radioakt_Strahlenwirkung.doc

2 8. Mutation: a) Allgemeine Definition Zufällige Veränderung des Erbuts durch Austausch einzelner Basen b) Arten von Mutationen Strangbrüche, Deletionenh, Inversionen, Verdopplungen u.a. (siehe Text) c) Ursachen von Mutationen Äussere Ursachen: Strahlung, Chemikalien Innere Ursachen: Kopierfehler 9. Wie geht die Zelle mit Mutationen um? siehe Text Kantonsschule Kreuzlingen, Klaus Hensler Che11_Radioakt_Strahlenwirkung.doc

3 Bio/Che HS10/ Biologische Wirkungen in einer Zelle Durch ionisierende Strahlung werden Atome und Biomoleküle, vor allem DNA, aber auch Proteine, in einer Zelle geschädigt. Dies kann auf zweierlei Art erfolgen (Abb ): 1. Direkte Wirkung Ein Biomolekül wird direkt getroffen und ionisiert. Das führt zu chemischen Veränderungen. Das wichtigste Zielmolekül ist das Erbmolekül DNS. Einzelund Doppelstrangbrüche, Entstehen von Querverbindungen, Änderungen oder Substitutionen der organischen Basen ( Buchstaben der Erbinformation) können als Folge der radioaktiven Einstrahlung festgestellt werden. Daraus können Genmutationen und Chromosomenaberrationen entstehen (Abb. 5.1). Letztere können im Mikroskop nachgewiesen werden. 2. Indirekte Wirkung Strahlung kann kleine Moleküle so verändern, dass sie Biomoleküle (z.b. DNS) chemisch zerstören können (Abb. 5.2). Da der menschliche Körper zu 2/3 aus Wasser besteht und Strahlung daher mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Wassermoleküle trifft, ist die daraus resultierende Radiolyse des Wassers (= chemische Veränderung durch Strahleneinwirkung) die wesentliche Ursache der indirekten Strahlenwirkung. Vor allem die entstehenden Ionen und Radikale (Abb. 5.3), können DNS und andere Biomoleküle so verändern, dass unter Umständen Krebs entsteht. Indirekte Wirkung OH H H O e - p + Strahlung Sekundärelektron reagiert mit Wassermolekül und erzeugt OH-Radikal e Direkte Wirkung e - Strahlung p + Sekundärelektron reagiert mit DNS 1 nm 2 nm Abbildung 5.1. Formen strahlenbedingter Chromosomenveränderungen (Arbeitsgruppe Kinder und atomare Bedrohung 1988) Abbildung 5.2. Direkte und indirekte Wirkung (Martignoni 1987) H 2 O* H + OH H 2 O* + H 2 O H 2 O + + H 2 O H 2 O + H+ + OH H 2 O H + OH- OH + OH H 2 O 2 H 2 O*: H, OH : H 2 O +, H 2 O : H 2 O 2 : angeregtes Wassermolekül Radikale ionisierte Wassermoleküle Wasserstoffperoxid Abbildung 5.3. Reaktionsgleichungen im Wasser durch Strahlungseinwirkung. Zellen haben ein enzymgestütztes Reparatursystem, das DNS-Schäden korrigieren kann. Manchmal ist die Reparatur aber fehlerhaft oder das Reparatursystem ist wegen starker Bestrahlung überfordert. Ein Aufgabe Wieviele Ionen werden in einer Zelle gebildet durch: a) ein Alpha-Teilchen b) ein Beta-Teilchen 10'000 70'000 einige 100 bis 1000 zellinterner Kontrollmechanismus verhindert die Zellteilung solange bis die DNA komplett repariert ist. Ist die DNA irreparabel, leitet die Zelle nach einiger Zeit eine Apoptose (ein Selbstmordprogramm) ein und stirbt. Ist das Kontrollsystem aber selbst geschädigt und eine so entartete Zelle wird vom Immunsystem übersehen, kann daraus eine Krebszelle entstehen, deren unkontrolliertes Wachstum langfristig zur Tumorbildung führt. Neben langfristig wirksamen Schäden, wie Krebs, durch moderate Strahlenbelastung, führt starke Strahlung durch weitgehende Zerstörung der DNA zur kompletten Überlastung des Reparatursystems. Sind grosse Teile des Körpers davon betroffen, bricht die Strahlenkrankheit aus, das weitgehende Versagen aller Zellfunktionen (siehe Kapitel 5.5) c) Gamma-Quant Kantonsschule Kreuzlingen, Klaus Hensler Che11_Radioakt_Strahlenwirkung.doc

4 5.2 Unterschiede zwischen Strahlungsarten und Geweben Die unterschiedliche Gewichtung der Strahlungsarten (aufgrund der Eindringtiefe und der Anzahl gebildeter Ionen wird bei der Berechnung der Äquivalentdosis durch den Qualitätsfaktor berücksichtigt. Um die biologische Wirkung erfassen zu können wird ein zweiter Korrekturfaktor benötigt, der die Gewebeempfindlichkeit berücksichtigt, der Gewichtungsfaktor. Auf dessen Basis wird die effektive Äquivalentdosis berechnet. Tabelle 5.1 zeigt, dass z.b. die Haut 5 mal weniger empfindlich ist als die Leber und diese wiederum 4 mal weniger als die Gonaden (Hoden und Eierstöcke). Die Summe aller Gewichtungsfaktoren ergibt den Wert 1. Tabelle 5.1. Einige Gewichtungsfaktoren (Schweizerische Physikalische Gesellschaft 1993, 20) Organ/Gewebe Gonaden Brust rotes Knochenmark Lunge Schilddrüse Knochenoberfläche Magen Leber Blase Haut Übrige Summe Gewichtungsfaktor wi Stochastische und nicht-stochastische Effekte Die bisherigen Betrachtungen zeigen, dass Veränderungen von Zellen, Geweben und Organen durch direkte und indirekte Wirkungen möglich sind. Dabei kann man wiederum zwei Möglichkeiten unterscheiden (Tab. 5.2): (1) Stochastische Effekte, d.h. scheinbar zufällig auftretende, genetische Schäden bzw. Krebs. Es ist nicht vorhersagbar welche Personen es wann treffen wird, aber man kann die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung bei einer gegebenen Dosis abschätzen. Dies gilt vor allem bei niedrigen Strahlendosen. (2) Nicht-stochastische Effekte, d.h. nicht nach dem Zufallsprinzip auftretende Veränderungen, die ab einer bestimmten Schwellendosis mit Sicherheit eintreten. Dies gilt im Wesentlichen für hohe Strahlendosen. Tabelle 5.2. Zusammenfassung stochastischer und nicht-stochastischer Effekte (Niederer 1990) Nicht-stochastische Effekte Gewebe- und Organschäden Tritt rasch auf (Tage bis Wochen) Schwere des Schadens nimmt mit der Dosis zu Dosis hat Schwellenwert (nur grosse Dosen wirksam) Limitierung der Dosis verhindert den Schaden Stochastische Effekte Bildung von Krebs Entwickelt sich nach Latenzzeit (Jahre bis Jahrzehnte) Eintretenswahrscheinlichkeit nimmt mit der Dosis zu Kaum Schwellenwert bekannt (auch kleine Dosen wirksam) Limitierung der Dosis macht Schaden unwahrscheinlicher 5.4 Dosis-Wirkungs-Beziehung Eine Dosis-Wirkungs-Beziehung beschreibt, den Zusammenhang zwischen Strahlungsmenge und deren Auswirkungen auf den Menschen. Abbildung 5.4 zeigt die Dosis-Wirkungs-Beziehung für stochastische und nichtstochastische Effekte. Nicht-stochastische Effekte folgen einem sigmoiden Kurvenverlauf, wie er auch für die Dosis-Wirkungs-Kurven vieler chemischer Stoffe typisch ist. Bei den stochastischen Effekten steigt die Wahrscheinlichkeit für genetische Folgeschäden und Krebserkrankungen linear mit Abbildung 5.4. Dosis-Wirkungsbeziehung (Niederer 1990) Kantonsschule Kreuzlingen, Klaus Hensler Che11_Radioakt_Strahlenwirkung.doc

5 Bio/Che HS10/11 der Strahlendosis an. Für Dosen unterhalb von 0.3 Sv liegt keine wissenschaftlich begründete Kurvenform vor. Die möglichen Folgen im Bereich dieser Bestahlung beruhen auf Extrapolation der Kurve oberhalb dieser Dosis. In Abb. 5.4 (rechts) ist nicht sicher, ob der gestrichelte oder der gepunktete Verlauf richtig ist. Allerdings geht man davon aus, dass eine lineare Extrapolation (gestrichelte Linie) die Krebswahrscheinlichkeit möglicherweise überschätzt. Das bedeutet, dass geringe Dosen eventuell weniger gefährlich sind als durch die gestrichelte Kurve dargestellt. Die punktierte Kurve ist somit realistischer. Tabelle 5.3 gibt die Risikofaktoren für einige Krebsarten an. Dies sind allerdings nur statistische Werte. Da die Sterberate von Krebs deutlich höher liegt, sind die Ursachen der einzelnen Fälle kaum auszumachen. Insgesamt summiert sich das Risiko, aufgrund von radioaktiver Strahlung an Krebs zu sterben, für die Bevölkerung auf 0.05 pro Sv, d.h. von einer Million Menschen, die mit 1 Sv bestrahlt werden, würden 50'000 an Krebs erkranken. Tabelle 5.3. Risikofaktoren für einige Krebsarten (Kiefer, Koelzer 1986) Krebsart Latenzzeit in Jahren Anzahl Todesfälle in 30 a/sv Leukämie Knochenkrebs x Lungenkrebs x Schilddrüsenkrebs Brustkrebs Beispiel Wird ein Mensch mit einer Dosis von 1 Sv bestrahlt, so ist die Wahrscheinlichkeit 0.2%, dass er aufgrund der erhaltenen Strahlung in den nächsten 30 Jahren an Lungenkrebs sterben wird. Aufgabe 5.2 Im Kanton Uri leben etwa 34'000 Menschen, die einer durchschnittlichen natürlichen und zivilisatorischen Strahlenbelastung von 5,5 msv pro Jahr ausgesetzt sind. Die Wahrscheinlichkeit innerhalb eines Jahres an Krebs zu sterben ist 0.05 pro Sv. Bestimmen Sie aus diesen Daten die durchschnittliche Anzahl Krebstodesfälle (verursacht durch radioaktive Strahlung) im Kanton Uri pro Jahr. 0.05/Sv Sv 34'000 = 9.35 Kantonsschule Kreuzlingen, Klaus Hensler Che11_Radioakt_Strahlenwirkung.doc

6 5.5. Und was geschieht mit mir? Nachdem die möglichen Schäden in einer Zelle aufgezeigt wurden, werden nun die Folgen einer Ganzkörperbestrahlung untersucht. Diese hängen neben der Dosishöhe massgeblich von der Dauer der Bestrahlung ab. Der Schaden ist geringer, wenn eine bestimmte Dosis während längerer Zeit verabreicht wird, als wenn jemand dieselbe Dosis in kürzerer Zeit empfängt. Wichtig ist auch der Zeitraum zwischen zwei Bestrahlungen. Ist der Abstand so gross, dass die strahlenbedingte Auswirkung in von der Zelle repariert werden kann, dann bleibt der Schaden einer folgenden Bestrahlung klein. Ist der Zeitraum für die Reparaturen allerdings zu kurz, stellt sich ein grösserer Schaden ein (Tab. 5.4). Tabelle 5.4. Ergebnisse aus einem Bestrahlungsversuch an Mäusen Zeitfaktor der Bestrahlung Überlebensrate 1 x 10 Gy kurzzeitig 10 x 1 Gy täglich 20 x 0.5 Gy täglich 0 % 10 % 70 % Diesen Effekt macht man sich übrigens in der Strahlentherapie von Krebs zunutze. Die Strahlen werden dabei von verschiedenen Seiten auf das Krebsgewebe gerichtet, so dass die Krebszellen der Belastung nicht standhalten, aber das umliegende Gewebe nur eine geringere Dosis erhält. Welcher Krankheitsverlauf und welche Schäden ergeben sich durch eine einmalige kurzzeitige Ganzkörperbestrahlung mit unterschiedlichen Dosen? Ab einer Äquivalentdosis von mehr als 1 Sv tritt die sogenannte Strahlenkrankheit auf. Sie verläuft in drei Abschnitten: Zuerst treten erste Krankheitszeichen auf. Diese klingen in einem zweiten Abschnitt wieder ab, und der Patient scheint gesund zu sein. Darauf folgt aber wieder eine Verschlechterung des Gesundheitszustandes. Die Zeitspanne, in der keine Krankheitszeichen auftreten, nennt man Latenzzeit. Je höher die erhaltene Dosis ist, desto kürzer ist die Latenzzeit. Tabelle 5.5 zeigt die möglichen Auswirkungen zusammengestellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass der bestrahlte Mensch medizinisch nicht behandelt wird. Tabelle 5.5. Verlauf der Strahlenkrankheit (Petzold 1983) Äquivalentdosis Strahlenwirkung auf den Menschen Sv Keine Schäden, deren Ursache eindeutig bei der Bestrahlung liegen Sv Vorübergehende Veränderung des Blutbildes. über 1 Sv Ab dieser Dosis setzt die Strahlenkrankheit ein: Übelkeit, Erbrechen, Müdigkeit, Veränderung des Blutbildes, Haarausfall, Durchfall, Entzündungen, Fieber Sv Schwindel; Veränderung des Blutbildes mit verzögerter Erholung; erste Todesfälle Sv Strahlenkrankheit bei mehr als 50% der Betroffenen: An den ersten beiden Tagen Übelkeit und Müdigkeit; Latenzzeit; ab 3. Woche Appetitverlust, Haarausfall, Durchfall, Veränderungen des Blutbildes, punktförmige Hautblutungen. 2 Sv Sterblichkeitsrate von 5% Sv Strahlenkrankheit bei 100% der Betroffenen. 2-3 Sv Am 1. Tag Schwindel und Übelkeit; Latenzzeit; ab der 2. Woche Appetitlosigkeit, Übelkeit, Halsweh, Haarausfall, Durchfall, Fieber, Veränderung des Blutbildes. Erholung innerhalb von 3 Monaten wahrscheinlich. 4.5 Sv Sterblichkeitsrate von 50%. 3-6 Sv Am 1. Tag Schwindel und Übelkeit; Latenzzeit; Ende der 1. Woche Appetitverlust, Unwohlsein; ab der 2. Woche Fieber, innere Blutungen, punktförmige Hautblutungen, Durchfall, Abmagerung, blutige Entzündung von Mundhöhle und Rachen. mehr als 6 Sv Sterblichkeitsrate von nahezu 100%. In 95% der Fälle tritt der Tod in den ersten 2 Wochen ein. Nach wenigen Stunden Schwindel, Erbrechen und Durchfall; kurze Latenzzeit; Ende der 1. Woche Fieber, innere Blutungen, punktförmige Hautblutungen, Durchfall, schnelle Abmagerung, Entzündung von Mundhöhle, Rachen und Darm. Kantonsschule Kreuzlingen, Klaus Hensler Che11_Radioakt_Strahlenwirkung.doc

7 5.6 Strahlenbelastung in der Natur und durch die Zivilisation Die Strahlenbelastung setzt sich aus natürlicher und künstlicher Radioaktivität zusammen. In der Schweiz und in Mitteleuropa stammt die künstliche Strahlung hauptsächlich aus Anwendungen der Medizin (1 msv/a; 'a' = Jahr), aus früheren Kernwaffenversuchen (0.02 msv/a), aus kerntechnischen Anlagen (<0.02 msv/a) und diversen Kleinquellen (0.1 msv/a) (Abb. 5.5). Letztere bestehen aus Hunderten von Radionukliden, die in der Natur nicht vorkommen. Diese unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Anreicherung in der Biosphäre und ihrer Aktivitäten von den natürlichen Radionukliden. Die Belastung konzentriert sich ausserdem auf einige Zellen bzw. Zelltypen in besonders starkem Masse. Die natürliche Belastung des Menschen setzt sich im wesentlichen aus 4 Komponenten zusammen: a) Radon b) Höhenstrahlung oder kosmische Strahlung c) Bodenstrahlung oder terrestrische Strahlung d) Bestrahlung aus dem Inneren des Körpers Die Höhenstrahlung kommt aus dem Weltraum und nimmt pro 1500 Höhenmeter etwa um den Faktor 2 zu. Die kosmische Strahlung erzeugt indirekt die Radionuklide C-14 und Tritium. Direkte Höhenstrahlung verursacht in Meereshöhe eine Dosis von etwa 0.4 msv pro Jahr. Die Bodenstrahlung rührt von sehr langlebigen Radionukliden aus den Zerfallsreihen des Thoriums bzw. Urans her, die im Laufe der Erdgeschichte noch nicht zerfallen sind. Sie erzeugen ca. 70% der natürlichen Strahlenbelastung. Je nach geologischem Untergrund kann die Bodenstrahlung erhebliche Werte annehmen. Sie beträgt, ohne Berücksichtigung von Rn-222, in der Schweiz durchschnittlich 0.6 msv pro Jahr. Die Bestrahlung von innen kommt hauptsächlich von Rn-222 und von Kalium-40. Diese gelangen durch Nahrungsaufnahme und durch Einatmen in den Körper. Das Rn-222 stammt aus der Zerfallsreihe des Urans und ist in Gesteinen der Erdkruste enthalten. Durch Diffusion gelangt das Rn-222 in die Luft und ebenfalls in Wohnhäuser. Um die Radonbelastung in den Häusern möglichst tief zu halten, sollte man zweimal pro Tag kurz und kräftig lüften. K-40 besitzt eine Halbwertszeit von 64 Milliarden Jahren und sendet beim Zerfall β- und γ-strahlung aus. In der Schweiz ist ohne Berücksichtigung von Rn-222 die durchschnittliche Dosis der Bestrahlung von innen 0.4 msv pro Jahr. Die Belastung durch Radon liegt zwischen 2 und 3 msv pro Jahr. Im Durchschnitt beläuft sich die Strahlenexposition aus natürlichen und zivilisatorischen Quellen auf etwa msv pro Jahr (Abb. 5.5). Abbildung 5.5. Mittlere gesamte Strahlenexposition der Schweiz; Werte in msv pro Jahr (Niederer 1990) Kantonsschule Kreuzlingen, Klaus Hensler Che11_Radioakt_Strahlenwirkung.doc

8 5.7 Strahlenschutz Um sich vor radioaktiver Strahlung zu schützen, sollte man eine radioaktive Quelle nicht berühren. In der Praxis ist dies leider nicht immer einzuhalten. Dennoch sollte möglichst auf eine oder mehrere Schutzmethoden geachtet werden: Abstand, Abschirmung oder Aufenthaltszeit. Mit dem Abstand zur Quelle nimmt deren Intensität ab. Durch Abschirmung der Quelle mit geeigneten Materialien wie Beton, Blei oder Wasser wird die Dosis stark verringert. Je kürzer die Aufenthaltszeit in einem Strahlungsfeld ist, desto geringer ist die erhaltene Dosis. Im Sinne des Strahlenschutzes wurden von der International Commission on Radiological Protection (ICRP) und mittels der Strahlenschutzverordnung (StSV, Oktober 1994) jährliche Dosislimiten festgelegt (Tab. 5.6). Diese Grenzwerte sollten nicht überschritten werden. Die Dosen aus der Anwendung für medizinische Zwecke und aus der natürlichen Strahlenexposition unterliegen nicht diesen Grenzwerten. Tabelle 5.6. Richtwerte für die jährliche Dosis Bevölkerung beruflich Strahlenexponierte StSV 1 msv 20 msv ICRP 1 msv 50 msv Desweiteren macht es einen grossen Unterschied, ob man einer Bestrahlung von aussen ausgesetzt ist, oder ob die Strahlungsquelle inkorporiert wurde. Dies gilt vor allem für Alpha- Strahler. In der Schweiz untersteht der Strahlenschutz dem Bundesamt für Gesundheit (BAG). Er ist in der Strahlenschutzverordnung (StSV) geregelt ( Die Grundsätze findet man unter: Aufgabe 5.3 Fasse die Grundprinzipien des Strahlenschutzes in der Schweiz zusammen. Kantonsschule Kreuzlingen, Klaus Hensler Che11_Radioakt_Strahlenwirkung.doc