Wie wirkt radioaktive Strahlung auf lebende Zellen?

Radioaktive Strahlung kann lebende Zellen schädigen und dadurch je nach Dosis unterschiedliche Auswirkungen auf den Körper haben. Da Radioaktivität auf der Erde seit Jahrmilliarden natürlich vorkommt, haben sich im Lauf der Evolution ausgeklügelte Mechanismen entwickelt, welche die möglichen Schäden von kleinen Strahlendosen begrenzen.

Radiotherapie eines Tumors

Starke Dosen radioaktiver Strahlung schädigen lebende Zellen massiv. Bei der Behandlung von Krebstumoren mit einer Radiotherapie wird dies ausgenutzt, indem ganz gezielt die Krebszellen mit sehr hohen Strahlendosen abgetötet werden. Dazu wird die Patientin oder der Patient so fixiert und die Position des Körpers mit Laserstrahlen gekennzeichnet, dass die therapeutische Strahlung genau am richtigen Ort auftrifft. Bild: CanStockPhoto

Radioaktivität ist energiereiche Strahlung, die von bestimmten chemischen Elementen mit instabilen Atomkernen ausgeht. Sie kann im menschlichen Körper Schaden anrichten – je nachdem, auf welche Weise und in welcher Dosis man ihnen ausgesetzt ist.

Schäden durch Energieübertragung

„Radioaktive Strahlung“ ist Energieübertragung. In lebenden Zellen überträgt die Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung ihre Energie an die Atome und Moleküle in der Zelle. Als Folge davon können in der Zelle Veränderungen auftreten, wie das Trennen von chemischen Bindungen oder Beschädigungen der DNA, der Trägerin der Erbinformation. Ähnliche Schädigungen können auch durch andere Umwelteinwirkungen eintreten, etwa durch krebsfördernde Stoffe, oder durch Fehler bei normalen Stoffwechselvorgängen. Deshalb verfügen unsere Zellen über sehr effiziente Reparaturmechanismen. Tritt ein schwerer Schaden auf, stirbt die Zelle und wird durch eine neue ersetzt. Ist der Schaden weniger gross, wird er repariert.

Die Strahlendosis

Die Gefährdung durch eine Quelle radioaktiver Strahlung wird mit der Strahlendosis angegeben, wobei die Stärke der Strahlung und die Einwirkungszeit eine Rolle spielen. Die biologische Wirkung auf unseren Körper hängt auch noch von der Art der Strahlung und vom bestrahlten Körperteil ab. Besonders empfindlich ist das blutbildende Knochenmark, eher unempfindlich die Knochen und Muskeln. Alphastrahlung ist in einer Körperzelle wegen ihrer hohen Energiedichte deutlich schädigender als Beta- oder Gammastrahlung.

Die Dosiseinheit, die alle diese Faktoren berücksichtigt, ist das Sievert (Sv) – eine sehr grosse Einheit, so dass Strahlendosen in der Regel als Bruchteile davon angegeben werden: in Millisievert (mSv = ein tausendstel Sievert) oder in Mikrosievert (μSv = ein millionstel Sievert). Die Einheit Sievert ist eine errechnete Grösse und gibt Auskunft über die biologische Wirksamkeit einer Strahlendosis. Die gleiche Anzahl Sievert bedeutet das gleiche Risiko, beispielsweise an Krebs zu erkranken.

Hohe Strahlendosen in kurzer Zeit überfordern den Reparaturmechanismus der Zellen, so dass es zu Fehlern bei der Reparatur kommt. Die Zellen von Kleinkindern sind wegen ihrer hohen Teilungsrate besonders empfindlich. Das alles führt dazu, dass der Zusammenhang von ionisierender Strahlung und Gesundheitsrisiken vielschichtig ist:

  • Sehr hohe Dosen in kurzer Zeit („Schockdosen“): Bei Dosen ab rund 1000 mSv treten akute Strahlenschäden auf, bei etwa 4000 mSv stirbt die Hälfte der betroffenen Menschen innerhalb von Tagen oder Wochen.
  • Schwächere Strahlendosen (ab etwa 100 mSv) in kurzer Zeit erhöhen das Risiko, dass die betroffenen Menschen später an Krebs sterben (fehlerhafte Reparaturen können sich mit der Zeit in den Zellen anhäufen, wodurch das Risiko einer späteren Erkrankung und von Schäden am Erbgut steigt). Wird dieselbe Dosis über längere Zeit verteilt aufgenommen, ist das Risiko für Folgeschäden geringer.
  • Unklar ist das effektive Gesundheitsrisiko bei geringen Strahlendosen (unter 100 mSv). Hier überlagern sich die Reparaturmechanismen, andere Krebsursachen und die individuelle Strahlenempfindlichkeit derart, dass ein allfälliges strahlenbedingt erhöhtes Risiko nicht erkannt werden kann: Es verschwindet in den statistischen Schwankungen der „normalen“ Krebserkrankungen. Erbschäden sind beim Menschen dagegen noch nie beobachtet worden, auch nicht bei hohen Strahlendosen.

Vorsorgeprinzip beim Strahlenschutz

Bereits im Jahr 1928 – zehn Jahre vor der Entdeckung der Kernspaltung – wurde die Internationale Strahlenschutz-Kommission (ICRP) gegründet. Die Empfehlungen der ICRP bilden heute in den meisten Ländern die Grundlage für die Gesetzgebung im Strahlenschutz. Mangels gesicherter Daten gehen weltweit die Strahlenschutzfachleute gemäss Vorsorgeprinzip davon aus, dass auch kleine Dosen schädlich sein können und es keinen Schwellenwert gibt, unterhalb dem Strahlung harmlos ist. Entsprechend streng sind die gesetzlichen Grenzwerte: Würde man vergleichbare Krebsrisiken auf die UV-Strahlung übertragen, wären nur noch knapp zwei Stunden Sonnenbaden pro Jahr tolerierbar.

Effiziente Reparaturmechanismen in Zellen

Grundsätzlich sind unsere Körperzellen aber in der Lage, kleine Schäden an der Erbinformation sehr effizient zu reparieren (wie das geht erfährst du im Artikel "Schäden in der DNA: Was nun?"). Das müssen sie auch, denn unsere Erde enthält viele radioaktive Elemente, weshalb wir ständig einer kleinen Menge an Radioaktivität ausgesetzt sind. Seit seinen Anfängen vor Jahrmilliarden hat sich das Leben auf diese Strahlung und andere potenziell schädliche Einwirkungen eingestellt. Diese eigentlich ungünstig erscheinenden Einflüsse haben auch eine wichtige positive Funktion: In den meisten Fällen verändern sie unser Erbgut nur minimal – Mutationen entstehen. Über Jahrmillionen konnten so aus Einzellern Menschen werden: Die Radioaktivität ist also auch eine Quelle der Evolution.

Andere Arten von Strahlung

Neben den ionisierenden Strahlen (meist „radioaktive“ Strahlung genannt) gibt es auch die nicht-ionisierenden Strahlen wie Radiowellen, Mobilfunk oder das sichtbare Licht und das UV-Licht der Sonne. Diese Strahlung ist energieärmer, kann aber auch, wie im Fall der relativ energiereichen UV-Strahlung, bei hohen Dosen Sonnenbrand oder sogar Hautkrebs verursachen.

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