21.6 Líffræðileg áhrif geislunar
Námsmarkmið
Að loknum þessum kafla munt þú geta:
- lýst líffræðilegum áhrifum jónandi geislunar
- skilgreint mælieiningar fyrir geislaálag
- útskýrt virkni algengra tækja til að mæla geislavirkni
- talið upp algengar orsakir geislaálags í Bandaríkjunum
Aukin notkun geislasamsætna hefur aukið áhyggjur af áhrifum þeirra á líffræðileg kerfi, til dæmis mannslíkamann. Allar geislavirkar kjarntegundir gefa frá sér orkuríkar agnir eða rafsegulbylgjur. Þegar þessi geislun lendir á lifandi frumum getur hún hitað þær, rofið efnatengi eða jónað sameindir. Alvarlegustu líffræðilegu skemmdirnar verða þegar geislunin sundrar sameindum eða jónar þær. Alfa- og betaeindir sem losna við geislavirka hrörnun hafa til dæmis mun meiri orku en venjuleg efnatengi. Þegar þessar eindir rekast á efni og smjúga inn í það mynda þær jónir og sameindabrot sem eru afar hvarfgjörn. Slíkar skemmdir á lífsameindum í lífverum geta raskað eðlilegri starfsemi frumna, reynt á viðgerðarkerfi lífverunnar og hugsanlega valdið veikindum eða jafnvel dauða (mynd 21.30).

Jónandi og ójónandi geislun
Mikill munur er á umfangi líffræðilegra áhrifa ójónandi geislunar, til dæmis ljóss og örbylgna, og jónandi geislunar. Jónandi geislun er nógu orkurík til að slá rafeindir út úr sameindum, til dæmis α- og β-eindir, γ-geislar, röntgengeislar og orkurík útfjólublá geislun (mynd 21.31).

Orka sem gleypist úr ójónandi geislun hraðar hreyfingu atóma og sameinda, sem jafngildir því að hita sýnið. Þótt líffræðileg kerfi séu viðkvæm fyrir hita, eins og við þekkjum af því að snerta heita eldavél eða eyða degi á sólarströnd, þarf mikið magn ójónandi geislunar áður en hættulegum mörkum er náð. Jónandi geislun getur hins vegar valdið mun alvarlegri skemmdum með því að rjúfa tengi eða fjarlægja rafeindir úr líffræðilegum sameindum og þannig truflað byggingu þeirra og starfsemi. Skemmdirnar geta einnig orðið óbeint, með því að jóna fyrst H₂O, algengustu sameindina í lifandi lífverum, og mynda H₂O⁺-jón sem hvarfast við vatn og myndar hýdróníumjón og hýdroxýlsindurefni:

Þar sem hýdroxýlsindurefnið hefur óparaða rafeind er það mjög hvarfgjarnt. Þetta á við um öll efni með óparaðar rafeindir, sem kallast sindurefni. Hýdroxýlsindurefnið getur hvarfast við margs konar líffræðilegar sameindir, til dæmis DNA, prótín og ensím, skemmt sameindirnar og raskað lífeðlisfræðilegum ferlum. Dæmi um beinar og óbeinar skemmdir eru sýnd á mynd 21.32.

Líffræðileg áhrif geislunar
Geislun getur skaðað annaðhvort líkamann sjálfan (líkamsfrumuskemmdir) eða egg- og sáðfrumur (erfðaskemmdir). Áhrifin eru mest áberandi í frumum sem fjölga sér hratt, svo sem í slímhúð maga, hársekkjum, beinmerg og fóstrum. Þess vegna finna sjúklingar í geislameðferð oft fyrir ógleði eða magakveisu, missa hár, fá beinverki og fleira, og þess vegna þarf að gæta sérstakrar varúðar við geislameðferð á meðgöngu.
Mismunandi tegundir geislunar komast misauðveldlega í gegnum efni (mynd 21.33). Mjög þunn hindrun, til dæmis eitt eða tvö pappírsblöð eða efsta lag húðfrumna, stöðvar venjulega alfaeindir. Þess vegna eru uppsprettur alfaeinda yfirleitt ekki hættulegar utan líkamans en geta verið mjög varasamar ef þær eru gleyptar eða þeim er andað að sér (sjá Efnafræði í daglegu lífi um radonálag). Betaeindir komast í gegnum hönd eða þunnt lag af efni eins og pappír eða við en stöðvast við þunnt málmlag. Gammageislun er mjög smjúgandi og kemst í gegnum þykkt lag af flestum efnum. Sum orkurík gammageislun getur farið í gegnum nokkur fet af steypu. Þétt frumefni með háa sætistölu, til dæmis blý, geta dregið verulega úr gammageislun með tiltölulega þunnu lagi og eru notuð sem geislavörn. Geta mismunandi tegunda geislunar til að valda jónun er mjög breytileg og sumar eindir hafa nánast enga tilhneigingu til að valda jónun. Alfaeindir hafa um það bil tvöfalt meiri jónunarmátt en hraðfara nifteindir, um 10 sinnum meiri en betaeindir og um 20 sinnum meiri en gammageislar og röntgengeislar.

Mæling á geislaálagi
Nokkur mismunandi tæki eru notuð til að greina og mæla geislun, þar á meðal Geiger-teljarar, sindurteljarar og geislamælar (mynd 21.35). Geiger-teljarinn, einnig kallaður Geiger-Müller-teljari, er líklega þekktasta geislamælitækið. Hann greinir og mælir geislun með því að nema jónun í gasinu í Geiger-Müller-röri. Jónunarhraðinn er í réttu hlutfalli við magn geislunarinnar. Sindurteljari inniheldur sindrara, efni sem gefur frá sér ljós þegar það örvast af jónandi geislun, og skynjara sem breytir ljósinu í rafmerki. Geislamælar mæla einnig jónandi geislun og eru oft notaðir til að ákvarða geislaálag einstaklinga. Algengar gerðir eru rafrænir geislamælar, filmumælar, varmaljómunarmælar og kvarsþráðarmælar.

Ýmsar einingar eru notaðar til að mæla ólíka þætti geislunar (mynd 21.36). SI-einingin fyrir hraða geislavirkrar hrörnunar er becquerel (Bq), þar sem 1 Bq = 1 hrörnun á sekúndu. Curie (Ci) og millicurie (mCi) eru miklu stærri einingar og eru oft notaðar í læknisfræði (1 curie = 1 Ci = 3,7 × 10¹⁰ hrörnanir á sekúndu). SI-einingin fyrir gleyptan geislaskammt er gray (Gy), þar sem 1 Gy = 1 J af orku sem gleypist á hvert kílógramm vefjar. Í læknisfræðilegum tilgangi er rad-einingin fyrir gleyptan geislaskammt oft notuð (1 rad = 0,01 Gy; 1 rad samsvarar frásogi á 0,01 J/kg í vef). SI-einingin sem metur vefjaskemmdir af völdum geislunar er sívert (Sv). Hún tekur bæði mið af orkunni og líffræðilegum áhrifum þeirrar geislunartegundar sem veldur skammtinum. Röntgenjafngildi fyrir menn (rem) er sú eining fyrir geislaskemmdir sem oftast er notuð í læknisfræði (100 rem = 1 Sv). Athugið að einingar fyrir vefjaskemmdir (rem eða Sv) taka til orkunnar í geislaskammtinum (rad eða Gy) ásamt líffræðilegum stuðli sem kallast RBE, hlutfallsleg líffræðileg virkni, sem nálgar hlutfallslegar skemmdir af völdum geislunarinnar. Sambandið er:
þar sem RBE er um það bil 10 fyrir α-geislun, 2 eða meira fyrir róteindir og nifteindir og 1 fyrir β- og γ-geislun.

Einingar geislamælinga
Tafla 21.4 tekur saman einingarnar sem notaðar eru til að mæla geislun.
| Tilgangur mælingar | Eining | Mælt magn | Lýsing |
|---|---|---|---|
| virkni geislagjafa | becquerel (Bq) | geislavirk hrörnun | magn sýnis sem verður fyrir 1 hrörnun/s |
| virkni geislagjafa | curie (Ci) | geislavirk hrörnun | magn sýnis sem verður fyrir 3,7 × 10¹⁰ hrörnun/s |
| gleyptur skammtur | gray (Gy) | orka sem gleypist á hvert kg vefjar | 1 Gy = 1 J/kg vefjar |
| gleyptur skammtur | rad | orka sem gleypist á hvert kg vefjar | 1 rad = 0,01 J/kg vefjar |
| líffræðilega virkur skammtur | sívert (Sv) | vefjaskemmdir | Sv = RBE × Gy |
| líffræðilega virkur skammtur | rem | vefjaskemmdir | rem = RBE × rad |
Dæmi 21.8
Magn geislunar
Kóbalt-60 (t₁/₂ = 5,26 ár) er notað í krabbameinsmeðferð þar sem hægt er að beina γ-geislunum sem það gefur frá sér að litlum svæðum þar sem krabbamein er til staðar. Sýni af Co-60, 5,00 g, er tiltækt fyrir krabbameinsmeðferð.
(a) Hver er virkni sýnisins í Bq?
(b) Hver er virkni sýnisins í Ci?
Lausn
Virknin er gefin með:
Þessu er síðan breytt í hrörnanir á sekúndu:
(a) Þar sem 1 Bq = 1 hrörnun/s er virknin í becquerel (Bq):
(b) Þar sem 1 Ci = 3,7 × 10¹¹ hrörnanir/s er virknin í curie (Ci):
Prófaðu þig
Tritíum er geislavirk samsæta vetnis (t₁/₂ = 12,32 ár) sem hefur ýmsa notkun, meðal annars í sjálflýsandi ljósum þar sem rafeindir sem losna við geislavirka hrörnun tritíums fá lýsiefni til að glóa. Kjarni þess inniheldur eina róteind og tvær nifteindir og atómmassi tritíums er 3,016 u. Hver er virkni sýnis sem inniheldur 1,00 mg af tritíum (a) í Bq og (b) í Ci?
Svar:
(a) 3,56 × 10¹¹ Bq; (b) 0,962 Ci
Áhrif langtíma geislaálags á mannslíkamann
Áhrif geislunar ráðast af tegund, orku og staðsetningu geislagjafans og af því hve lengi geislaálagið varir. Eins og sýnt er á mynd 21.37 verður meðalmanneskjan fyrir bakgrunnsgeislun, þar á meðal geimgeislum frá sólinni og radoni frá úrani í jörðu (sjá Efnafræði í daglegu lífi um radonálag). Fólk verður einnig fyrir geislun í læknisfræðilegum rannsóknum, svo sem tölvusneiðmyndum, rannsóknum með geislasamsætum, röntgenmyndum og fleiru. Loks hlýst smávægilegt geislaálag af öðrum athöfnum manna, til dæmis flugferðum, þar sem fleiri geimgeislar falla á flugvélar í efri lögum lofthjúpsins, geislavirkni í neysluvörum og ýmsum geislavirkum kjarntegundum sem berast í líkamann við innöndun, til dæmis kolefni-14, eða gegnum fæðukeðjuna, til dæmis kalíum-40, strontíum-90 og joð-131.

Skyndilegt skammtímaálag af mikilli geislun getur haft margvísleg heilsufarsáhrif, allt frá breytingum á blóðefnafræði til dauða. Skammtímaálag sem nemur tugum rema af geislun veldur líklega mjög greinilegum einkennum eða veikindum. Áætlað er að skammtur upp á um 500 rem hafi 50% líkur á að valda dauða viðkomandi innan 30 daga frá geislaálaginu. Geislavirkt geislaútstreymi hefur uppsöfnuð áhrif á líkamann á lífsleiðinni, sem er önnur ástæða þess að mikilvægt er að forðast allt ónauðsynlegt geislaálag. Heilsufarsáhrif skammtímaálags af geislun eru sýnd í töflu 21.5.
| Geislaálag (rem) | Heilsufarsáhrif | Tími þar til áhrif koma fram (án meðferðar) |
|---|---|---|
| 5-10 | breytingar á blóðefnafræði | - |
| 50 | ógleði | klukkustundir |
| 55 | þreyta | - |
| 70 | uppköst | - |
| 75 | hárlos | 2-3 vikur |
| 90 | niðurgangur | - |
| 100 | blæðingar | - |
| 400 | hugsanlegur dauði | innan 2 mánaða |
| 1000 | eyðilegging á slímhúð þarma; innvortis blæðingar; dauði | 1-2 vikur |
| 2000 | skemmdir á miðtaugakerfi; meðvitundarleysi; dauði | mínútur til dagar |
Ómögulegt er að komast hjá einhverju álagi af jónandi geislun. Við verðum stöðugt fyrir bakgrunnsgeislun frá ýmsum náttúrulegum uppsprettum, þar á meðal geimgeislun, bergi, læknisaðgerðum, neysluvörum og jafnvel okkar eigin atómum. Við getum lágmarkað geislaálagið með því að loka á geislunina eða skýla okkur fyrir henni, færa okkur lengra frá uppsprettunni og takmarka þann tíma sem við verðum fyrir geisluninni.