Biologische Strahlenwirkungen

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Einleitung

Biologische Strahlenwirkungen, Wirkungen insbesondere ionisierender Strahlung auf lebendes Gewebe, die sich durch Energieübertragung auf Moleküle in den Zellen ergeben.

Durch die Strahleneinwirkung können vorübergehende oder dauerhafte Störungen der Zellfunktion eintreten, oder die Zelle wird völlig zerstört. Wie groß der Schaden ist, hängt von verschiedenen Faktoren wie der Art der Strahlung, der aufgenommenen Dosis, der Dauer der Einwirkung und der Strahlungsempfindlichkeit des betroffenen Gewebes ab. Strahlung kann auf den Menschen von außen einwirken, aber auch durch inhaliertes oder mit der Nahrung aufgenommenes radioaktives Material. Neben künstlichen Strahlungsquellen wie Kernwaffen existiert auf der Erde eine natürliche Hintergrundstrahlung, auch bestimmte natürliche Gase und Tabakrauch senden radioaktive Strahlung aus.

Erfahrungen durch die Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki, nukleare Tests und Zwischenfälle sowie die Beobachtung von nuklearmedizinisch behandelten Patienten haben zu wichtigen Erkenntnissen über die Folgen von Strahlenbelastung beim Menschen geführt. Man unterscheidet heute zwischen stochastischen (zufälligen) und nichtstochastischen oder deterministischen (durch eine Ursache vorherbestimmten) Strahlenfolgen. Erstere entstehen nach dem Zufallsprinzip (Stochastik ist ein Teilgebiet der Statistik), der Schweregrad der Veränderung ist von der Strahlendosis unabhängig, nur die Wahrscheinlichkeit nimmt mit steigender Dosis zu. Dieser Gesetzmäßigkeit unterliegen genetische Veränderungen und Tumorerkrankungen. Deterministische Prozesse dagegen treten erst oberhalb einer bestimmten Schwellendosis auf, das Ausmaß des verursachten Schadens nimmt mit steigender Dosis zu. Hierzu zählen alle akuten und chronischen Gewebs- und Organveränderungen mit Ausnahme von Krebserkrankungen sowie die akute Strahlenkrankheit und Schäden am ungeborenen Kind.

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Akute Wirkungen

Unter akuten Wirkungen versteht man Veränderungen, die innerhalb weniger Minuten bis 90 Tage nach der Strahlenexposition auftreten. Sie betreffen die schnell reagierenden Gewebe wie Knochenmark, Mund- und Darmschleimhaut. Eine hohe, auf den ganzen Körper einwirkende Strahlungsdosis erzeugt in Folge der unterschiedlichen Empfindlichkeit der einzelnen Organsysteme ein charakteristisches Muster von Schädigungen. Die Dosis misst man in der Einheit Gray: Ein Gray ist die Strahlungsmenge, die in einem Kilogramm Materie eine Energie von einem Joule freisetzt. So werden nach einer Bestrahlung von mehr als einem Gray das sehr empfindliche Blut bildende Knochenmark und die Lymphozyten (siehe Leukozyten) geschädigt, was zu einem Rückgang der Blutzellen und damit zu Blutungen und Infektionen führen kann. Bei einer Dosis bis zwei Gray ist eine Erholung wahrscheinlich, bis etwa fünf Gray ist sie noch möglich. Nach einer Gesamtkörperdosis von vier Gray sterben etwa 50 Prozent der unbehandelten Personen innerhalb von 30 Tagen an der akuten Strahlenkrankheit.

Bei einer Belastung von mehr als fünf Gray kommt es zum so genannten gastrointestinalen Syndrom, welches sich infolge einer Schädigung der Epithelschicht des Verdauungstrakts in Durchfall, Erbrechen und damit verbundenem Flüssigkeitsverlust äußert. Hier muss nach 10 bis 14 Tagen mit dem Eintreten des Todes gerechnet werden. Nach dem Einwirken von mehr als 20 Gray kommt es zusätzlich zu einer erheblichen Schädigung der Nervenzellen mit massiven neurologischen Ausfällen wie Tremor, Krampfanfällen oder Koma. Der Tod tritt innerhalb einiger Tage bzw. bei Dosen über 100 Gray innerhalb weniger Stunden ein.

Sind nur kleinere Körperbereiche von Strahlung betroffen, ergeben sich Schäden gemäß der Empfindlichkeit und Reaktion der einzelnen Gewebe. So sind beispielsweise das Knochenmark oder embryonale Zellen sehr strahlensensibel (Schwellendosis unter fünf Gray), während Knorpel und Bindegewebe als weitgehend strahlenresistent gelten. Die Schwellenwerte der einzelnen Organsysteme müssen bei nuklearmedizinischen Behandlungen jeweils berücksichtigt werden.

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Spätwirkungen

Nicht krebsartige Spätwirkungen ionisierender Strahlung können in vielen Organen auftreten, insbesondere in Dünndarm, Nieren, Lunge und Augenlinse. Die Ursache sind degenerative Veränderungen, die im Wesentlichen als Sekundärwirkungen der strahlenbedingten Gefäßschäden auftreten. Die wichtigste Spätfolge von Strahleneinwirkung ist aber eine erhöhte Häufigkeit von Krebserkrankungen. Es handelt sich hierbei vor allem um Leukämie, Brust-, Schilddrüsen- und Lungenkrebs.

Statistisch lässt sich das Strahlenkrebsrisiko beispielsweise von röntgendiagnostischen Untersuchungen aus verschiedenen Gründen nicht genau erfassen, als Veranschaulichung können aber folgende Beispiele dienen: Stellt man die Strahlungsdosen nuklearmedizinischer und röntgendiagnostischer Untersuchungen der natürlichen Strahlungsexposition des Menschen gegenüber, ist festzustellen, dass die hierdurch anfallende Strahlungsbelastung meist inner- oder unterhalb des natürlichen Strahlungspegels liegt. Auch ein Verlust an individueller Lebenserwartung durch Strahlenbehandlung ist im Vergleich zu anderen Faktoren wie Passivrauchen meist vernachlässigbar klein: So bedeuten Untersuchungen wie eine Skelettszintigraphie (bildgebendes Verfahren unter Verwendung von Radioisotopen) oder eine Magen-Darm-Passage (Röntgenuntersuchung von Magen und Darm) rein rechnerisch einen Verlust von einem Tag.

Neben somatischen (sich als Krankheit manifestierenden) Schäden kann Strahlenbelastung auch zu nicht direkt sichtbaren genetischen Schäden führen, die zu großen Teilen an die Nachkommen vererbt werden können. Ein internationales Forscherteam berichtete 2002 in Science über solche genetischen Veränderungen nach Untersuchungen in der Region von Semipalatinsk, wo die UdSSR von 1949 bis 1989 ober- und unterirdische Atomtests durchgeführt hatte. Im Erbgut von Menschen aus dieser Region sei in nichtcodierenden Abschnitten der DNA (siehe Nucleinsäuren) eine um 80 Prozent erhöhte Mutationsrate festgestellt worden. Im Gebiet um den Unglücksreaktor von Tschernobyl waren Mitte der neunziger Jahre ebenfalls Genschäden an Menschen und Tieren nachgewiesen worden.

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Nichtionisierende Strahlung

Die Strahlung im Frequenzbereich der Radiowellen, die etwa von Hochspannungsleitungen, Radargeräten, Rundfunknetzen und Mikrowellengeräten ausgeht, ist nichtionisierend. Viele Jahre lang galt diese Strahlung nur in sehr hohen Dosen als schädlich, weil sie dann Verbrennungen, Katarakt, vorübergehende Unfruchtbarkeit und andere Wirkungen hervorruft. 2001 wurden beispielsweise fünf Radartechnikern, die in den sechziger bzw. siebziger Jahren bei der deutschen Bundeswehr an Radargeräten tätig gewesen waren und die an Krebs erkrankt waren, Entschädigungen von Seiten der Bundeswehr zugesprochen. Durch die zunehmende Verbreitung von Mobiltelefonen rückt auch die Frage nach Folgen niedriger Dosen derartiger Strahlung in den Mittelpunkt des Interesses (siehe Elektrosmog).