Tanja Riezler

Biologische Strahlenwirkung

 

 

1. Seit der Inbetriebnahme von Atomkraftwerken, Anlagen und Versuchsreaktoren ist es zu Tausenden von Zwischenfällen gekommen.

Die bisher schwerste Katastrophe war die Explosion des Leichtwasser-Grafit-Reaktors von Tschernobyl am 26.4.1986. Unmittelbar nach den Unglück kamen 32 Menschen ums Leben. Seitdem sind mindestens 4300 Menschen an Folgen nuklearer Verstrahlung gestorben.

2. Radioaktive Strahlung kann Zellen durch die Anregung oder Ionisation von Molekülen verändern und schädigen.

 

A Aufbau einer Zelle

Sie besteht aus ca.80% Wasser und 20% Biomolekülen.

Vereinfachtes Schema:

1 Zellmembran

2 Zellplasma

3 Zellkern

4 Chromosomen mit Genen (bestehend aus DNS)

Chromosomen enthalten alle Informationen die zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktion eines Organismus erforderlich ist.

 

B Die Strahlenbiologische Reaktionskette

Treffen ionisierende Strahlen auf einen Organismus (z. B. Mensch), treten in den einzelnen Zellen physikalische, chemische und biologische Effekte auf.

Große Bedeutung: die Anregung und die Ionisation.

• führen zur Veränderung der Atomhüllen, die allein die Bindung zwischen den Atomen eines Moleküls gewährleisten.
• Ionisation: Abtrennung eines Elektrons aus der Atomhülle
• Anregung: Verschiebung eines Elektrons in der Hülle (höheres Energieniveau).

Beide Effekte sind jedoch nicht endgültig. So kann die Ionisation durch Aufnahme eines freien Elektrons wieder rückgängig gemacht werden (Rekombination), das "verschobene" Elektron wieder seinen ursprünglichen Platz einnehmen.

Keine Rückbildung des physikalischen Primäreffekts:

• Elektronenhülle verändert und unstabil

Hat ein Strahlungsteilchen oder Energiequant ein, die chemische Bindung vermittelndes, Elektron entfernt oder verschoben, zerbricht das Molekül.

• entstandene Bruchstücke reagieren chemisch anders als Ursprungsmoleküle
• veränderte Reaktion neuer Verbindungen der Bruchstücke (z.B. toxisch)

ABER: Reparatur oder Aussonderung der bestrahlten Zelle mit Hilfe des Immunsystems möglich!

• keine gesundheitlichen Konsequenzen

Versagt das Abwehr- bzw. Reparatursystem oder wird es überfordert, kommt es zum Strahlenschaden.
Grundsätzlich gilt: Zellkern reagiert empfindlicher auf radioaktive Strahlen als Zellplasma (Grund: DNS)

 

C Strahlenschäden

1. Somatische Schäden und Genetische Schäden

STRAHLENSCHÄDEN

SOMATISCHE GENETISCHE SCHÄDEN 

SOMATISCHE SPÄTSCHÄDEN / FRÜHSCHÄDEN

NICHT MALIGNE SPÄTSCHÄDEN

1.1 Somatische Schäden

• treten nur bei dem bestrahlten Individuum auf

1.1.1 somatische Frühschäden

• Schwellendosis für den Menschen: 200 - 300 mSv (20000 - 30000 mrem)
• treten nach Stunden oder spätestens einigen Wochen auf
• Auswirkungen: Veränderung des Blutbildes, Unwohlsein, Erbrechen, Entzündungen der Schleimhäute, Fieber

1.1.2 somatische Spätschäden

• treten erst nach Jahren oder Jahrzehnten auf
• a) nicht maligne (nicht bösartig wuchernde) Spätschäden
• Mindestmenge an Strahlung muss auf den Organismus wirken
• Auswirkungen: Sterilität, Trübung der Augenlinse

b) maligne (bösartig wuchernde) Spätschäden

• Mindestmenge an Strahlung oder es gibt gar keine Schwelle d.h. auch einzelne Strahlungsteilchen oder Gammaquanten können solche Schäden auslösen ( z.B. bei vorgeschwächter Zelle)
• Auswirkungen: Krebs, Leukämie

Hinweis: Mit steigender Strahlungsmenge nimmt nicht die Schwere der Erkrankung zu, sondern die Wahrscheinlichkeit zu erkranken.

Eine einmalige Ganzkörperbestrahlung mit einer Dosis von 7000 mSv (700000mrem) gilt als tödlich, wenn keine Therapiemaßnahmen ergriffen werden.

1.2 genetische Schäden

• sie wirken sich erst bei den Nachkommen aus
• es treten Veränderungen an den Chromosomen und den Keimzellen auf
• Reparatur der Zelle mit genetischem Schaden möglich; oft wird auch der Embryo aus solchem Gewebe einfach abgestoßen

 

2. Stochastische und Nichtstochastische Schäden

2.1 Stochastische Schäden (zufallbedingte Effekte)

• Krebs
• Leukämie
• Erbschäden bei Nachkommen

Für die Schäden, die auf einer Schädigung der DNS beruhen, gibt es keinen Schwellenwert.

Häufigkeit der Schäden ~ Strahlendosis

Folge von entweder: einmaliger hoher Belastung oder: längerer, schwacher Belastung

2.2 Nichtstochastische Schäden
(nicht zufallbedingte Effekte)

• Strahlenkrankheit; Symptome: Hautrötung, Übelkeit, Geschwüre, Haarausfall, Veränderung des Blutbildes
  (abhängig von der Dosis)
• Trübung der Augenlinse

Diese Schäden treten auf, wenn eine gewisse Schwellendosis (0,25 - 1 Sv) überschritten wird.

Schwere des Schadens ~ Strahlendosis

D Faktorenabhängigkeit

Somatische und in geringerem Unfang auch genetische Strahlenwirkungen sind von verschiedenen Bedingungen abhängig.

Strahlenart

• Strahlen weisen unterschiedliche biologische Wirkungen auf
• entscheidend ist dabei die Ionisationsdichte
• je größer diese ist, umso größer ist auch die Wirkung
  

Dosis

• Strahlenwirkung nimmt mit der Dosis zu
• bei somatischen Frühschäden gibt es einen Schwellenwert
• bei genetischen Schäden wird kein Schwellenwert vermutet (im ungünstigsten Fall können schon kleinste Dosen zu Schäden führen)

Äquivalentdosis H

Energiedosis D ist definiert als Quotient aus absorbierender Energie W und der Masse m der durchstrahlten Materie m.

D = W/m Einheit: J/kg = Gy (Gray)

Da bei gleicher Energiedosis die versch. Strahlenarten im gleichen Gewebe untersch. biolog. Wirkungen haben, führte man die Äquivalentdosis ein.

H = Q D Q (Qualitätsfaktor) = 1 für β - und γ-Strahlen

Q = 20 für α -Strahlen

Einheit: J/kg = Sv (Sievert)

• biologische Strahlenwirkung der α - Strahlen ist 20mal stärker als die von β - oder γ - Strahlen

Zeitliche Dosisverteilung

•  Wirkung einer Dosis ist desto geringer, je größer die zeitlichen Abstände zwischen den Teildosen sind (Grund: weniger Molekülbruchstücke)

Räumliche Dosisverteilung

• man muss immer zwischen Ganzkörper- und Teilkörperdosen bzw. Organdosen unterscheiden

Bsp.: medizinische Bestrahlungen (Tumor)

Relative Strahlenempfindlichkeit

• Einzelne Organe oder Gewebe des Menschen sind gegenüber ionisierenden Strahlen unterschiedlich empfindlich
• radioaktive Strahlung kann den Teilungsvorgang einer Zelle verzögern, blockieren oder sie teilungsunfähig machen
• Gleichgewicht zwischen Zellverlust und Zellerneuerung ist gestört

Fermente

• Zentralnervensystem
   

  • Blutbildendes System (Milz, Lymphknoten, Knochenmark)
     

    • Keimdrüsen
       
      • Magen-Darm-Trakt

  
   
  

Hohe Schleimhäute

Empfindlichkeit Haarpapillen

• Haut
  • Schilddrüse,

Niedrige Leber, Niere

Empfindlichkeit Muskeln

• Knochen

Milieufaktoren

• Organe oder der ganze Organismus können durch Ernährung, Genussmittel, Medikamente usw. sensibler auf Strahlen wirken
• mit Sauerstoff gut versorgte Zellen sind besonders empfindlich
• Männer sind strahlenempfindlicher als Frauen

 

E Strahlenempfindlichkeit verschiedener Lebewesen

Lebewesen zeigen gegenüber ionisierender Strahlen eine unterschiedliche Empfindlichkeit. Diese wird mit Hilfe der mittlern Letaldosis beschrieben. Sie gibt die Dosis an, die bei einer Röntgenganzbestrahlung für 50% der Individuen einer gr. Anzahl von Lebewesen innerhalb von 30 Tagen zum Tode führt. (somatischer Frühschaden).

 

3. Deutschland will bis in 20 Jahren aus der Kernkraftenergie aussteigen und auf andere Stromerzeugnismöglichkeiten umsteigen.

 

Quellenverzeichnis:

KERNCHEMIE Radioaktivität und Strahlenschutz

Abiturtraining Chemie, Stark Tanja Riezler K12

Spiegelarchiv 10.10.2000