Wpływ zanieczyszczeń promieniotwórczych na funkcjonowanie organizmu ludzkiego

Zanieczyszczenia radioaktywne ze względu na swoje silne działanie mutagenne i rakotwórcze są zdecydowanie najgroźniejszym dla organizmów żywych typem zanieczyszczeń. Stanowią one źródło pewnych rodzajów promieniowania jonizującego. Organizmy żywe od zawsze były wystawione na jego działanie, ale w dopuszczalnych dawkach pochodzenia naturalnego, do których są i były przyzwyczajone. Mowa tutaj o tak zwanym naturalnym tle promieniotwórczym, które pochodzi od znajdujących się w atmosferze, litosferze i hydrosferze izotopów radioaktywnych­­ takich jak: ³H, ^{14C, 40}K, ²²⁶Ra, ²³⁶Th, a także od tzw. promieniowania kosmicznego.

Promieniowanie pochodzące z naturalnych źródeł ocenia się na około 10 mrad (miliardów) na rok. Istnieją jednak rejony w których formacje geologiczne bardziej obfite w niektóre pierwiastki zmieniają tę wartość (Indie, Brazylia, Kongo, obszar dawnej Czechosłowacji). Co więcej, intensywność promieniowania kosmicznego wyraźnie wzrasta wraz ze wzrostem wysokości. Dla przykładu:

Poziom morza - ok. 30-50 mrad/rok

3000 m n.p.m. - ok. 120 mrad/rok

9000 m n.p.m. - ok. 1000 mrad/rok

Coraz powszechniejsze wykorzystywanie energii jądrowej często naraża organizmy na zbyt wysoką ekspozycję na promieniowanie jonizujące. Chodzi tu głównie o broń jądrową i detonacje eksperymentalne, przemysł korzystający z takich technologii (spożywczy, zbrojeniowy, chemiczny, ciężki), energetykę jądrowa (elektrownie, łodzie podwodne, statki), metody oparte o materiały radioaktywne używane w celach doświadczalnych w geologii, górnictwie, naukach medycznych i biologicznych. Ilość izotopu węgla ¹⁴C, który jak wiadomo włącza się w przemiany metaboliczne zwiększyła się dwukrotnie. Analogiczną aktywność wykazują izotopy ³²P, ^90­Sr, ¹³¹J,¹³⁷Cs. Należy zaznaczyć iż kumulacja na poszczególnych poziomach łańcucha pokarmowego może być nawet kilkudziesięciokrotna.

Dawkę ekspozycyjną mierzy się w Roentgenach. 1 R (rentgen) to ilość promieniowania wywołująca w 1 cm³ powietrza 2x10⁹ par jonów o całkowitym ładunku równym 1e.

Jednostką dawki promieniowania pochłoniętego jest jeden rad, czyli ilość dowolnego promieniowania, która powoduje pochłonięcie przez 1g materii energii 100 ergów.

Pomiarem dawek zajmuje się dozymetria, jedna z dziedzin radiometrii. Jak pokazały doświadczenia w organizmie żywym, który poddano działaniu promieniowania, zjawiska fizyczne i fizykochemiczne zachodzą w takim sam sposób jak w materii nieożywionej, a ze względu na złożoność struktury i szybkość faz są one trudne do uchwycenia w radiometrii biologicznej. Znacznie silniej uwidacznia się faza trzecia objawiająca się zaburzeniem procesów metabolicznych fazy kolejne: czwarta - patofizjologiczna, gdy zmienia się przepuszczalność błon, upośledzone jest przyswajanie substancji odżywczych, rozkojarzone są systemów regulacyjnych, podziały komórkowe ulegają zahamowaniu, pojawiają się też zaburzenia krążenia, oddychania, wydalania, itp. Faza piątej, czyli tak zwana morfologiczna pojawiają się modyfikacje histologiczne (np. cytopenia szpiku kostnego oraz układu krwi obwodowej i układu chłonnego, a także uszkodzenia błony śluzowej w przewodzie pokarmowym). Faza szósta jest już fazą zejściową, następuje w niej całkowite albo tylko częściowe wyzdrowienie jeśli oczywiście przeważały procesy naprawcze, w innym razie napromieniowany organizm umiera.

Pojawiła się zatem konieczność zdefiniowania pojęć służących do oceny procesów radiohistopatologicznych.

Jednostką dawki biologicznej jest jeden rem (1 rem).

D rem = d rad x WSB

gdzie WSB to efekt wywołany przez promieniowanie X odpowiadające w aparacie Rentgenowskim napięciu 200kV.

LD 50 bądź DL 50 to oznaczenia tak zwanej dawki półletalnej, czyli takiej dawki, która w ciągu trzydziestu dni od jonizacji powoduje śmierć połowy osobników z danej grupy.

LD 100 jest w takim razie dawką bezwzględnie (całkowicie) śmiertelną dla wszystkich osobników.

D Emin stanowi natomiast najniższą dawkę efektywną, czyli zdolną już do wywołania zjawisk radiobiologicznych.

Na efekty napromieniowania wpływ maja takie czynniki jak:

1. typ promieniowania
2. natężenie i czas narażenia na promieniowanie
3. odległość od radioaktywnego źródła
4. rozległość
5. gatunek
6. płeć i wiek
7. predyspozycje osobnicze

Ciekawym organizmem jest bakteria Deinococcus radiodurans przeżywająca napromieniowanie dawką rzędu 1,5 miliona radów.

Efekty biologiczne w zależności od ilości radów:

<0,1 R brak

1 - 10 R ewentualne mutacje, zmiany onkogenne i teratogenne

10 - 100 R Jak wyżej, dodatkowo przejściowe objawy wczesnej choroby popromiennej

100 - 1000 R Ostre zespoły chorobowe, najczęściej letalne dla zwierząt wyższych

1000 - 10000 R Śmierć większości gatunków zwierząt, poważne uszkodzenia w roślinach wyższych

10000 - 100000 R Śmierć większości roślin i zwierząt, a także niektórych drobnoustrojów

100000 - 1000000 R Śmierć zdecydowanej większości drobnoustrojów

>1000000 R Możliwość przeżycia tylko kilku wirusów i bakterii Deinococcus radiourans

Skutki promieniowania w poszczególnych narządach, tkankach i komórkach:

Istnieje reguła że komórki dojrzałe są mniej wrażliwe niż młode, niezróżnicowane, które szybko się dzielą i rosną. Komórki krwi obwodowej, takie jak czerwone krwinki są mniej podatnie niż niedojrzałe komórki znajdujące się w szpiku kostnym. Podobnie jest u roślin, u których komórki tkanek stałych są mniej czułe niż te ze stożków wzrostu, fellogenu i kambium.

Tabela 1. Wrażliwość na promieniowanie poszczególnych tkanek i narządów u zwierząt.

Objawy choroby popromiennej uzależnione są od wielkości narażonego obszaru i pochłoniętej dawki oraz natężenia promieniowania.

Mówi się o ostrej i przewlekłej chorobie popromiennej:

Ostra:

Sygnalizują ją: niepokój, zaburzenia snu, bóle i zawroty głowy, mdłości, wymioty, osłabienie mięśni. Objawy te występują od kilku do kilkunastu godzin po napromieniowaniu. Następnie mamy do czynienia z okresem utajenia, po którym następują objawy właściwe, charakteryzujące jeden z trzech typów choroby popromiennej: hematologiczny, jądrowy albo mózgowy.

Postać hematologiczna - gdy dawka wynosi pomiędzy 100 do 200 radów odznacza się okresowym wzrostem liczby leukocytów i niewielkim upośledzeniem krzepliwości. Przy dawce ponad 200 radów następuje spadek liczby erytrocytów, leukocytów i trombocytów, objawy niedokrwistości, skazy krwotocznej z ewentualnymi infekcjami towarzyszącymi. Skaza krwotoczna to rezultat spadku liczby leukocytów, pojawiają się przy tym wybroczyny i podskórne wylewy, podobnie w błonach śluzowych, występuje krwawienie z otworu nosowego i dziąseł, krwiomocz i wysoka temperatura ciała. W przypadku wyższych dawek wywiązać się może rumień, przechodzący w ostre zapalenie skóry z pęcherzami i ogniskami martwiczymi oraz utratą owłosienia.

Postać jelitowa wywoływania jest dawką około 500 R, czyli dawką progową po której następuje destrukcja nabłonka jelitowego. Objawy to intensywne wymioty i biegunka, przyczyniające się do powstania zaburzeń w gospodarce wodno-mineralnej organizmu. Błona śluzowa ogołocona z naskórka staje się podatna na inwazje wszelkich drobnoustrojów, drobnoustrojów krwi zanikają przeciwciała, zniszczeniu ulegają węzły chłonne, organizm staje się więc bezsilny i w kilkanaście dni od napromieniowania ginie.

Postać mózgowa jest wywoływana dawką około 2000 R na cały ustrój. Już po dwóch, góra trzech godzinach pojawiają się apatia, niepokój, bezsenność, a następnie stany lękowe i śpiączka. Później kolejno napięcie mięśniowe, drgawki, niezborność ruchowa, zaburzenia oddychania, objawy drastycznego porażenia ośrodkowego układu nerwowego, utrata przytomności i zgon.

Przewlekła:

Wywiązuje się w skutku systematycznego narażenia organizmy na promieniowanie o niewielkiej mocy. Uszkadzany jest przede wszystkim układ krwiotwórczy, krwiotwórczy, skóra, soczewki oka, układ kostny. Pojawia się marskość i zwłóknienie wątroby, płuc i nerek. Zawsze objawy daje układ nerwowy, następują zaburzenia regulacji neurohormonalnej, mechanizmów adaptacyjnych, regeneracyjnych i termoregulacji, a także obniżenie odporności. Skóra robi się sucha, cienka, łatwo ulega pęknięciom, zanikają linie papilarne, łamią się paznokcie, dochodzi do łysienia i owrzodzeń. Mętnieją soczewki, pojawiają się tętniaki w siatkówce, często występuje zapalenie spojówek. W kościach akumulują się substancje radioaktywne, następuje rozrzedzenie ich utkania, a w rezultacie zmniejszona wytrzymałość na urazy mechaniczne, charakterystyczne są samoistne złamania kości długich kręgów i żuchwy.

Późne somatyczne skutki promieniowania jonizującego:

Jako, że promieniowanie jonizujące jest silnie mutagenne, można stwierdzić z całą pewnością, iż jest szkodliwe absolutnie w każdej dawce. W przypadku dawek niewielkich objawy chorobowe mogą w ogóle się nie pojawiać lub być mało widoczne, prawdziwe skutki mogą wystąpić dopiero po wielu latach. Zaliczyć należy do nich:

• zwiększoną częstotliwość występowania nowotworów (w tym białaczki)
• wzmożenie procesów zwyrodnieniowych i zanikowych
• skazy krwotoczne oraz niedokrwistość
• zaćmę
• upośledzenie rozrodczości
• niekorzystne oddziaływanie na rozwój i zdrowie w okresie życia wewnątrzmacicznego
• przyspieszenie starzenia
• skrócenie przeciętnego okresu życia

Najpoważniejsze uszkodzenia to upośledzenie funkcji komórek rozrodczych.

Skutkiem napromieniowania mogą pojawić się mutacje w genomie, powstające zazwyczaj w wyniku uszkodzenia wrzeciona podziałowego, różne rodzaje aberracji chromosomowych. Po najniższych dawkach promieniowania pojawiają się też mutacje genowe których przyczyną jest zrywanie mostków wodorowych pomiędzy łańcuchami DNA. W przypadku dawek niskich i średnich mogą pojawić się pęknięcia w jednym z łańcuchów podwójnej nici DNA, a przy dawkach wysokich w obydwu, na przestrzeni jednego albo kilku miejsc, z opcją powstania nieprawidłowych połączeń.

W miarę pochłoniętej dawki wydatnie maleje prawdopodobieństwo usunięcia powstałych uszkodzeń DNA.

Innymi zmianami są zmiany aktywności układów enzymatycznych, nieprawidłowa przepuszczalność błon biologicznych (komórkowych, jądrowych i innych), jak również zmiany chemicznego składu cytoplazmy wywołane przede wszystkim przez:

- upośledzenia fosforylacji oksydacyjnej zaburzające wewnątrzkomórkowe wytwarzanie energii

- inaktywacja polimeraz koniecznych do procesów replikacji, transkrypcji i translacji

- uszkodzenie samego DNA blokujące replikację lub czynności matrycowe