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Eingewirkt hat hier eine sehr geringe Energiezufuhr. Sie kann die bestrahlte Masse nur um etwa ein Viertel eines Tausendstel Grads erwärmen (zur Erinnerung: Etwa 4,2 Joule entsprechen einer Kalorie). Bei jeder morgendlichen Zubereitung einer Tasse heißer Milch wird ungleich mehr Energie einer Masse zugeführt. Strahlenbiologisch handelt es sich aber um eine relative hohe Dosis, die bei einer akuten Ganzkörperbestrahlung schon Zeichen einer Strahlenkrankheit auslösen kann, wie Übelkeit, Erbrechen und Müdigkeit. Eine weitere Dosiserhöhung kann bereits Todesfälle durch Versagen der Blutbildung nach sich ziehen.
Der gemessen an der geringen Energiezufuhr geradezu dramatische strahlenbiologische Effekt der ionisierenden Strahlung rechtfertigt es auch, der Dosiseinheit bei dieser Form der Energiezufuhr einen speziellen Namen (Sievert) zu geben.
Das Ergebnis der Gegenüberstellung entspricht bei dieser Dosis den Erwartungen: In einem Volumen, das um das 1012fache kleiner ist, wird im gleichen Strahlenfeld auch eine proportional kleinere Energie deponiert.
Auch wenn bei der folgenden Gegenüberstellung eine um das Tausendfach geringere Dosis (1 mSv) einwirkt - sie entspricht etwa der Jahresdosis der natürlichen Strahlenbelastung ohne das Radon - ändert sich diese Proportionalität nicht.
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Bei einer weiteren Reduzierung der Dosis um das Zehnfache stoßen wir bei diesem Beispiel an die Grenzen der Proportionalität: Während in der Makrodosimetrie die in der Masse von einem Kilogramm deponierte Energie auf ein Zehntel zurückgeht, ändert sich die Energiedeposition im mikrodosimetrischen Bereich einer Zelle nicht!
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Natürlich sind hier nicht die Gesetze der Naturwissenschaften außer Kraft gesetzt. Es macht sich bemerkbar, dass die Strahlenenergie nicht als kontinuierlicher Strom übertragen wird, sondern in Quanten, kleinen Energieportionen. Bei makrodosimetrisch sehr niedrigen Dosen macht sich auf der Ebene der Zelle die Quantelung der Energieübertragung bemerkbar, es wird nicht mehr jede Zelle getroffen. Nicht die pro Treffer übertragene Energie nimmt dann bei einer weiteren Verringerung der Dosis ab, sondern die Häufigkeit von Treffern im Gewebe und die Anzahl der getroffenen Zellen. Bei niedrigen Dosen stehen getroffenen Zellen solche gegenüber, in denen keine Strahlenenergie eingewirkt hat. Je höher die beim Treffer übertragene spezifische Energie ist, umso inhomogener ist die Energieverteilung bei niedrigen Strahlendosen in makrodosimetrischer Hinsicht. Bei Betrachung der getroffenen Zelle gibt es keine niedrige Dosis.
Die übertragene spezifische Energie und damit der in der Zelle angerichtete Schaden hängen von der Strahlenart und ihrer Energie ab. In den beiden folgenden Animationen In den beiden folgenden Abbildungen wird das am Beispiel der Einwirkung einer locker- und einer dichtionisierenden Strahlung gegenübergestellt.
Als Beispiel für eine lockerionisierende Strahlung tritt von links ein Strahlenquant einer Röntgenstrahlung in das Bild. Er überträgt bei einem zufälligen Treffer einen Teil seiner Energie (mit einem Comptoneffekt, Streuung) auf ein Elektron. Dieses Elektron trifft bei einer seiner Wechselwirkungen auf ein DNS-Molekül und erzeugt dort einen Einzelstrangschaden, bei dem auch ein angrenzendes Nukleotid betroffen ist.
Als Beispiel für eine lockerionisierende Strahlung hat ein Elektron bei einer seiner Wechselwirkungen ein DNS-Molekül getroffen und dort einen Einzelstrangschaden erzeugt, bei dem auch ein angrenzendes Nukleotid betroffen ist.
Einzelstrangbrüche können sehr effizient repariert werden, da das komplementäre Nukleotid auf dem gegenüberliegenden Strang unbeschädigt ist. Aber bei etwa jeder tausendsten Reparatur ist mit einem Fehler zu rechnen, der dann bei der Zellteilung weiter vererbt wird.
Ist in der S-Phase (Synthesephase zur Vorbereitung einer Zellteilung) die DNS in zwei Einzelstränge geteilt, muss allerdings die Reparatur scheitern. Diese Phase ist deshalb wie auch die Zellteilung selbst besonders strahlensensibel. Damit erklärt sich, dass Gewebe mit einer großen Zellteilungsrate, wie z.B. das rote Knochenmark, der Dünndarm und die Bildung des Samens, sehr strahlenempfindlich sind.
Am Beispiel eines Alphateilchens, wie z.B. auch Neutronen eine dichtionisierende Strahlung, wird in der folgenden Animation gezeigt, wie aufgrund der größeren Ionisationsdichte wesentlich häufiger als bei einer lockerionisierenden Strahlung ein Doppelstrangbruch entsteht.
Im folgenden Bild wird gezeigt, dass beim Durchgang eines Alphateilchens, wie z.B. auch Neutronen eine dichtionisierende Strahlung, aufgrund der größeren Ionisationsdichte wesentlich häufiger als bei einer lockerionisierenden Strahlung ein Doppelstrangbruch entsteht.
Doppelstrangbrüche sind nicht fehlerfrei zu reparieren.
Es ist einleuchtend, dass deshalb verschiedene Strahlenarten bei gleicher Energiedosis eine unterschiedliche biologische Wirksamkeit haben. Sie kann im Experiment im Vergleich zu einer Bezugsstrahlung als relative biologische Wirksamkeit (RBW) ermittelt werden.
Der bereits erwähnte Strahlungswichtungsfaktor wR, mit dem im Strahlenschutz die Energiedosis durch Multiplikation in die Äquivalentdosis umgerechnet wird, ist allerdings in Verordnungen normativ gesetzt, was zwar zu wünschenswerten Vereinfachungen im praktischen Strahlenschutz führt, aber auch erhebliche Diskrepanzen zu den realen RBW-Faktoren zur Folge haben kann.
So sieht das Strahlenschutzrecht für alle lockerionisierenden Strahlen, wie z.B. Röntgen-, Gamma- und Betastrahlen, einen wR von Eins vor, die RBW zwischen einer weichen Röntgenstrahlung, wie sie z.B. in der Mammographie verwendet wird, und der sehr energiereichen Atombombenstrahlung unterscheiden sich hingegen um etwa das Achtfache.
Die Schädigung der DNS in einer einzigen Zelle ist unerheblich, da sich in einem Gramm Gewebe etwa eine Milliarde Zellen befinden und damit dieser Schaden in seiner Auswirkung verschwindend gering bleibt. Gehen allerdings aus einer geschädigten Zelle Tochterzellen hervor, wächst mit der Zellmasse auch die Bedeutung des vererbten Schadens im Bau- und Lebensplan der Tochterzellen.
In folgenden Situationen ist eine solche Vermehrung des Schadens bedeutsam:
Da das Heranwachsen eines Strahlenschadens aus der Dimension einer mutierten Zelle einen schwer vorstellbaren nichtlinearen Vorgang darstellt, soll nun der Weg zurück aus der Welt des Mikrometers in die des Meters veranschaulicht werden.
Zur Vereinfachung wird eine regelmäßige Zellteilung einer Tumorzelle ohne Zellverlust, also ein exponentielles Wachstum, zugrunde gelegt. Es soll deutlich werden, dass auch nach der vollzogenen Umwandlung einer normalen Körperzelle in eine Tumorzelle und bei deren klonalem Wachstum zunächst eine von der Teilungsgeschwindigkeit abhängige lange Zeitspanne vergehen kann, in der scheinbar keine Strahlenschädigung vorhanden ist (Latenzzeit). Erst wenn die Masse der veränderten Zellen ausreichend groß ist, kann sich der Tumor z.B. durch abgesonderte stoffwechselwirksame Substanzen bemerkbar machen. Bei weiterer Zunahme der Geschwulst können schließlich Krankheitserscheinungen durch Verlegung von Hohlräumen, Verdrängung und - bei bösartigen Tumoren - durch Zerstörung von Geweben auftreten. Der Tod des Tumorträgers kann schließlich auch dadurch eintreten, dass die enorme Tumormasse im Kilogrammbereich nicht mehr mit dem Überleben vereinbar ist.
Die linke Y-Achse zeigt die Anzahl der Zellen, die rechte die entsprechende Zellmasse.
Hier handelt es sich um einen stochastischen Strahlenschaden. Im Gegensatz zum deterministischen Strahlenschaden, bei dem die Dosis die Schwere der Strahlenkrankheit bestimmt, ist die Schwere der Erkrankung von der Dosis unabhängig. Lediglich die Verursachungswahrscheinlichkeit nimmt mit der Dosis zu. Da bereits ein einzelner Strahlentreffer eine stochastische Strahlenkrankheit auslösen kann, gibt es für diesen Effekt keine Dosisschwelle.
Die Art der ausgelösten Krankheit gibt keinen Hinweis auf die Ursache. Selbst wenn es spezifische Zeichen einer Strahlenverursachung gäbe, bliebe der konkret auslösende Strahlentreffer im Ungewissen, dafür sorgt bereits die Latenzzeit, die im Bereich der Tumore bis zu Jahrzehnten betragen kann und sich bei genetischen Effekten vielleicht über viele Generationen erstreckt.
Durch Vergleich unterschiedlich stark strahlenbelasteter Kollektive, insbesondere durch die Beobachtung der Atombombenopfer, können wir heute die Zahl der Gesundheitsschäden abschätzen, die eine Strahlenbelastung in einem belasteten Kollektiv hervorrufen wird.
Durch Beobachtungen und Modellberechnungen lässt sich auch abschätzen, welche Kollektivdosen durch die Freisetzung bestimmter Radionuklide beim Einsatz des Urans hervorgerufen werden. Mit diesen Vorkenntnissen soll nun im dritten Kapitel der Weg des Urans bei seinem Einsatz in der Atomtechnik verfolgt werden.
Prof. Dr. H. Kuni