Stochastische Strahlenschäden

Strahlenschäden sind Schäden, die durch ionisierende Strahlung an Lebewesen oder Material hervorgerufen werden. Die Strahlung kann aus natürlichen oder künstlichen Quellen stammen. Neutronen wirken nur indirekt ionisierend, verursachen aber ebenfalls Strahlenschäden.

Beim Eindringen der Strahlung in Materie gibt sie Energie an die umgebenden Atome oder Moleküle ab. Dabei werden unter anderem Elektronen aus den Atomhüllen geschlagen und chemische Bindungen aufgebrochen, wobei Radikale entstehen, die ihrerseits wieder Schäden hervorrufen können.

In toter Materie sammeln sich solche Strahlenschäden an, bis es schließlich zu sichtbaren Veränderungen (beispielsweise Ausbleichen) und/oder Veränderungen der Materialeigenschaften, oft in Richtung einer Versprödung, kommt.

Lebende Organismen – wie auch der Mensch – verfügen über komplexe, bislang nur im Ansatz verstandene Reparatursysteme, die die meisten dieser Schäden rückgängig machen können. Aber auch hier sammeln sich die verbleibenden mikroskopischen Schäden an. Generell können niedere Lebewesen wie Bakterien sehr viel stärkere Strahlungsdosen als höhere Lebewesen wie Säugetiere ertragen. So kann das Bakterium Deinococcus radiodurans sogar im Kühlwasser von Kernreaktoren leben.

Strahlenschutzvorschriften regeln in den meisten Ländern den Umgang mit Strahlen und mit Stoffen, die ionisierende Strahlung abgeben, und setzen – meist sehr emotional umstrittene – Grenzwerte für die maximale Belastung (Strahlendosis) der Bevölkerung fest.

Arten von Strahlenschäden bei Lebewesen, insbesondere beim Menschen

Strahlenschäden bei Mensch und Tier lassen sich einteilen in

• somatische Schäden, die beim bestrahlten Organismus selbst auftreten,
• genetische Schäden, die erst bei den Nachkommen auftreten,
• teratogene Schäden, die während der Schwangerschaft eine Schädigung des Embryos verursachen.

Bei den somatischen Schäden unterscheidet man Früh- und Spätschäden:

• Somatische Frühschäden treten nach Stunden oder spätestens nach einigen Wochen auf. Medizinisch nachweisbar sind diese Schäden erst, wenn eine Mindestdosis (Schwelldosis) an Strahlung aufgenommen wurde, die für den Menschen zwischen 200 und 300 mSv liegt. Krankheitserscheinungen sind beispielsweise ein verändertes Blutbild, Übelkeit, Entzündung der Schleimhäute oder Fieber.

• Somatische Spätschäden machen sich erst Jahre oder Jahrzehnte nach der Bestrahlung äußerlich bemerkbar, obwohl die Zellen schon unmittelbar nach der Bestrahlung geschädigt wurden. Man kann bei den Spätschäden zwischen malignen (wie Leukämie) und nicht malignen Spätschäden (wie Unfruchtbarkeit oder eine Trübung der Augenlinse) unterscheiden.

Zellbiologische Wirkungen von Strahlung

Trifft ionisierende Strahlung auf einen Organismus, können DNA-Veränderungen (Mutationen) im Zellkern auftreten. Bei einer Säugerzelle werden diese zum größten Teil repariert. Findet eine falsche oder keine Reparatur statt, so zieht dies eine der beiden folgenden Konsequenzen nach sich.

Zelltod

Die Zelle verliert ihre Teilungsfähigkeit und stirbt nach Ablauf ihrer Lebensdauer. Sind ausreichend viele Zellen betroffen, ergeben sich deterministische Strahlenschäden. Da der Zelltod ein natürlicher Prozess im Zyklus einer differenzierten Zelle ist, bedarf es einer gewissen Schwellendosis, bevor ausreichend Zellen sterben und der schädliche Effekt sich manifestiert, indem das betroffene Gewebe seine Funktion verliert. Die Schwere des Schadens steigt proportional zu der Dosis. Zu den deterministischen Schäden gehören akute (Früh-) Schäden (zum Beispiel Erythem, akute Strahlenkrankheit), nichtkanzeröse Spätschäden (fibrotische Gewebsveränderungen, Trübung der Augenlinse, Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit, testikulare Anomalie) und teratogene Effekte (Fehlbildungen des Kindes während einer Schwangerschaft).

Zellveränderung

Die Zelle teilt sich, vererbt aber die veränderte DNA an die Tochterzellen weiter. Die Folge sind stochastische Strahlenschäden. Sie treten mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit erst Jahre oder Jahrzehnte nach der Exposition auf. Für sie gibt es vermutlich keine Schwellendosis; die Wahrscheinlichkeit des Eintretens eines solchen Schadens ist proportional zur Dosis. Die Höhe der Dosis beeinflusst dabei nicht die Schwere der Erkrankung, sondern nur die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens. Die stochastischen Strahlenschäden sind entscheidend bei niedrigen Dosen und für die Abschätzungen des Strahlenrisikos im Strahlenschutz. Sie haben ähnliche Auswirkungen wie zufällige, spontan entstehende DNA-Veränderungen, zum Beispiel Zell-Transformationen, die zu Krebs führen, Mutationen und Erbkrankheiten, oder auch teratogene Effekte.

Letale Dosis für Lebewesen und Viren

Die LD_50|30-Werte (50% Letalität nach 30 Tagen, nach Daten der IAEO) für Lebewesen bzw. Viren unterscheiden sich stark, da diese unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber ionisierenden Strahlen zeigen. Die Werte beziehen sich wie bei der Strahlenkrankheit auf kurzzeitige Ganzkörperbestrahlungen.

• Meerschweinchen: 2,5-4 Gy
• Ziege: 3,5 Gy
• Mensch: 3-4,5 Gy
• Hund: 4-5,5 Gy
• Rhesusaffe: 5,5 Gy
• Ratte: 6 Gy
• Goldfisch: 8,5 Gy
• Hamster: 9-11 Gy
• Forelle: 15 Gy
• Escherichia Coli: 50 Gy
• Fledermaus: 150 Gy
• Schnecke: 200 Gy
• Wespe: 1000 Gy
• Tabakmosaikvirus: 2000 Gy
• Bärtierchen: 5700 Gy
• Deinococcus radiodurans: 10000 Gy

Siehe auch

• Strahlenkrankheit
• Radiologie
• Strahlenbiologie
• Relative biologische Wirksamkeit
• Dosimeter
• Tschernobyl
• Strahlenresistenz
• Strahlenrisiko
• Strahlenkastration