三、輻射對人體的影響

本書開頭講到，輻射分為電離輻射和非電離輻射。能量較低的電磁輻射，如無線電波、微波、紅外線、可見光和紫外線，屬于非電離輻射，它們對人體的主要影響是熱效應(yīng)，例如在強烈的陽光下會產(chǎn)生被太陽灼傷的感覺，這就是太陽光對人體產(chǎn)生的熱效應(yīng)。日常生活中常見的手機、電腦等，所用的電磁波頻段主要是無線電波和微波，雖然其能量較低，但國家也制定有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對它作出適當(dāng)防護。

對于電離輻射，它們具有電離的特性，對人體的影響不再僅限于熱效應(yīng)，而是直接或間接對人體細(xì)胞產(chǎn)生損傷，過量照射對人體健康有害。還記得上文提到的核科學(xué)先驅(qū)嗎，我們可以通過他們先了解一下這種高能輻射對人體的危害。貝克勒爾因?qū)⒁恍∑胯D裝在衣服口袋里而使皮膚受到了損傷；倫琴1923年死于腸癌；居里夫人1934年死于血液病，這些都可能與早期防護不足、受到過量照射有關(guān)。

由于越來越多地認(rèn)識到輻射照射伴隨著風(fēng)險，20世紀(jì)人們開始深入研究輻射對人類和環(huán)境的影響。輻射可以產(chǎn)生細(xì)胞水平的效應(yīng)，通常是對染色體中脫氧核糖核酸（DNA）鏈產(chǎn)生直接或間接損傷而導(dǎo)致細(xì)胞的損傷、改變或死亡（如圖3.1所示）。有些損傷可以完全修復(fù)，有些不能修復(fù)則可能會引起改變（稱為細(xì)胞畸變），最終可能致癌。如果被改變的細(xì)胞將遺傳信息傳遞給后代，則可能會發(fā)生遺傳疾病。如果損傷或死亡的細(xì)胞數(shù)目足夠多，則可引起器官功能障礙，甚至死亡。

根據(jù)對這些現(xiàn)象的觀察，輻射照射后的健康效應(yīng)可分為早期健康效應(yīng)和延遲健康效應(yīng)。通常，早期健康效應(yīng)通過個體臨床癥狀診斷就能明顯地看到，而延遲健康效應(yīng)（如癌癥）則要通過觀察群體中發(fā)病率的變化來研究。此外，輻射對兒童、胚胎和胎兒的效應(yīng)（遺傳效應(yīng)）也應(yīng)特別關(guān)注。

輻射與細(xì)胞的相互作用

電離輻射具有較高能量，能與人體細(xì)胞產(chǎn)生相互作用，從而可能對人體健康產(chǎn)生傷害，這種傷害可分為直接傷害和間接傷害（見圖3.2）。直接傷害就是輻射直接作用在生物分子上，造成生物分子的損傷；間接傷害是指細(xì)胞內(nèi)的水分子吸收輻射能量，水分子發(fā)生變化并會形成對染色體有害的化學(xué)物質(zhì)，進而對生物分子造成傷害。

產(chǎn)生輻射損傷的過程很復(fù)雜，通常認(rèn)為有四個階段：

（1）最初的物理階段。只持續(xù)很短的時間，約10-16秒，在這一瞬間能量沉積在細(xì)胞內(nèi)并引起電離。

（2）物理-化學(xué)階段。大約持續(xù)10-6秒，在這期間，離子在水中將產(chǎn)生多種反應(yīng)產(chǎn)物，如自由基和強氧化劑。

（3）化學(xué)階段。持續(xù)幾秒鐘，在此期間，反應(yīng)產(chǎn)物與細(xì)胞的重要有機分子相互作用。自由基和氧化劑可能破壞構(gòu)成染色體的復(fù)雜分子。例如，它們可能附著于分子上并破壞長分子鏈中的鍵。

（4）生物階段。在這個階段，時間跨度可從幾十分鐘持續(xù)到幾十年，這要看特定的癥狀而定。

細(xì)胞受到輻射損傷后可能導(dǎo)致細(xì)胞早期死亡、阻止或延遲細(xì)胞分裂以及細(xì)胞的永久性變形，并可能延續(xù)到子代細(xì)胞。在人體內(nèi)，這些變化能顯示出臨床癥狀，如放射病、白內(nèi)障或較長時間后出現(xiàn)的癌癥。不過，小劑量的輻射照射引起的細(xì)胞內(nèi)各種損傷會常常被細(xì)胞自身修復(fù)，不會對身體健康產(chǎn)生不良的影響。

輻射的生物效應(yīng)

無論來自體外的輻射源，還是來自體內(nèi)的放射性物質(zhì)，其輻射作用于人體都可能導(dǎo)致生物效應(yīng)。目前國際上公認(rèn)的輻射生物效應(yīng)總結(jié)見表3.1。

輻射生物效應(yīng)分類：按效應(yīng)的性質(zhì)分類，可分為隨機效應(yīng)和確定效應(yīng)；按產(chǎn)生效應(yīng)的時間，可分為早期健康效應(yīng)和晚期健康效應(yīng)；按效應(yīng)作用的對象，可分為軀體效應(yīng)（包括早期健康效應(yīng)和晚期健康效應(yīng)）和遺傳效應(yīng)。

1．隨機效應(yīng)和確定效應(yīng)

根據(jù)效應(yīng)發(fā)生率與劑量之間的關(guān)系，將生物效應(yīng)分為隨機效應(yīng)和確定效應(yīng)。

隨機效應(yīng)是指效應(yīng)的嚴(yán)重程度與受到照射的劑量大小無關(guān)，但其發(fā)生概率取決于所受劑量的那些效應(yīng)。隨機效應(yīng)以隨機方式發(fā)生在受照射群體或其后代中，而且發(fā)生效應(yīng)的概率與該群體所接受的劑量大小有關(guān)，但其嚴(yán)重程度則與劑量大小無關(guān)，不存在劑量閾值。

確定效應(yīng)是指效應(yīng)的嚴(yán)重程度與受到照射的劑量有關(guān)的那些效應(yīng)。確定效應(yīng)存在劑量閾值，即只有劑量超過某一特定值時，機體才會發(fā)生效應(yīng)。而且效應(yīng)的嚴(yán)重程度與所受劑量的大小有關(guān)，劑量越大后果越嚴(yán)重（圖3.3）。

2．早期健康效應(yīng)

早期健康效應(yīng)是指受到照射之后幾個小時到幾周內(nèi)就會出現(xiàn)的軀體效應(yīng)，呈現(xiàn)如皮膚燒傷、脫發(fā)和生育能力障礙等癥狀，如圖3.4所示，屬于確定效應(yīng)。早期健康效應(yīng)一般是急性大劑量照射導(dǎo)致細(xì)胞大量死亡或損傷引起的，如短期急劇受到1000毫希沃特以上照射時，可能在幾個小時之后出現(xiàn)惡心和嘔吐，還可能引起白血球、血小板減少等；如一次受到5000毫戈瑞以上照射時，皮膚會出現(xiàn)線斑和脫毛；受到大于幾十戈瑞以上的照射時會損傷中樞神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致受照射者幾天內(nèi)死亡。

一般情況下，全身受到500～1000毫希沃特照射時，人體反應(yīng)通常較小，個別人會有惡心、嘔吐反應(yīng)。

核工業(yè)正常運行引起的輻射照射遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于產(chǎn)生軀體早期效應(yīng)的水平，只有在發(fā)生概率極小的重大核事故中才有可能急劇地受到大劑量照射。

基于輻射可以直接損傷細(xì)胞DNA，癌癥治療使用輻射殺死癌細(xì)胞，即放射治療（圖3.5）。在放射治療中所使用的總輻射劑量因所治療的癌癥類型和階段不同而不同。治療實體腫瘤所用的典型劑量是20～80戈瑞，這種劑量如果作為單次劑量給與患者會危及生命，因此除了要盡一切可能保護正常組織少受或免受照射以外，還必須分次給給予照射，每次最大2戈瑞。劑量分次給予既可以使正常組織得到修復(fù)的同時又可以殺死腫瘤細(xì)胞。這是因為腫瘤細(xì)胞在輻射照射后修復(fù)效率較低。

3．晚期健康效應(yīng)

把潛伏期較長的軀體效應(yīng)稱為晚期健康效應(yīng)，主要是指受到照射6個月后出現(xiàn)的機體變化。一般來說，晚期健康效應(yīng)也是隨機效應(yīng)，在臨床上的主要表現(xiàn)有各種癌癥、白血病和后代身上的遺傳疾病等。這些效應(yīng)被認(rèn)為是由于受到照射后細(xì)胞遺傳物質(zhì)的改變引起的。在輻射照射后的幾年里，首先出現(xiàn)的是白血病、甲狀腺癌和骨癌，而其他癌癥有時需要至少10年，甚至幾十年后才會顯現(xiàn)出來（圖3.6）。

由于晚期健康效應(yīng)的潛伏期較長，還很容易與其他因素，如工業(yè)污染、化學(xué)藥物或長期不良生活習(xí)慣所引起的效應(yīng)相混淆，因而不能確切地判明引起效應(yīng)的原因。同時，由于核工業(yè)只有幾十年的歷史，尚未積累大量可靠的資料和足夠的實驗數(shù)據(jù)，特別是在較小劑量和劑量率條件下，更缺乏令人信服的資料，因此不能給出有關(guān)晚期健康效應(yīng)與器官或組織劑量的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系。

流行病學(xué)研究對于認(rèn)識輻射照射后的晚期健康效應(yīng)非常重要。這種研究用統(tǒng)計學(xué)方法，將受到照射群體中的健康效應(yīng)（如癌癥）的發(fā)病率與未受到照射群體（對照組）中的發(fā)病率加以比較。如果發(fā)現(xiàn)在受到照射群體中發(fā)病率有顯著增加，那么就整個群體而言可以認(rèn)為效應(yīng)是與輻射照射有關(guān)。

4．遺傳效應(yīng)

如果輻射損傷發(fā)生在生殖細(xì)胞（精子或卵子）中，那么可導(dǎo)致對后代的遺傳效應(yīng)。與晚期健康效應(yīng)一樣，遺傳基因的變化或突變，既可由輻射誘發(fā)，也可由其他因素誘發(fā)，輻射可能只是增加了遺傳效應(yīng)的發(fā)生概率。

5．其他健康效應(yīng)

心臟的高劑量照射會增加心血管疾病（如心臟病發(fā)作）的發(fā)病概率。這樣的照射可能在放射治療期間發(fā)生，但現(xiàn)在的治療技術(shù)所需要的心臟劑量較低。對于心臟的低劑量照射，目前還沒有科學(xué)證據(jù)證明會引起心血管疾病。

白內(nèi)障發(fā)病率在切爾諾貝利事故應(yīng)急響應(yīng)工作人員身上發(fā)現(xiàn)有所增加，這可能與受到高劑量照射有關(guān)。另外，還有研究表明，高劑量輻射照射抑制了免疫系統(tǒng)，主要是因為淋巴細(xì)胞受到了輻射損傷。

6．對胚胎或胎兒的效應(yīng)

攝入體內(nèi)的放射性物質(zhì)（內(nèi)照射），或體外輻射源（外照射）都可能使母體內(nèi)的胚胎或胎兒受到照射，如圖3.7所示。由于胎兒受子宮的保護，其所受劑量往往低于母親，然而，胚胎和胎兒對輻射特別敏感，可能導(dǎo)致生長遲緩、畸形和腦功能受損等嚴(yán)重后果。

有人會問那給孕婦穿上防輻射服是不是就可以防輻射呢，其實，對于核輻射（電離輻射），例如想要屏蔽X/γ輻射，需要用鉛這樣的重金屬來遮擋，防輻射服幾乎不能起到屏蔽作用；對于日常生活中常見的電磁輻射（來自手機、電腦、微波爐、電磁爐等電子或家電產(chǎn)品），目前的研究尚未發(fā)現(xiàn)它們會對人體健康具有可觀測到的影響，而且它們不是單一輻射源，通常遍布于整個空間，穿戴防輻射服的作用不大。

7．對兒童的效應(yīng)

人類健康效應(yīng)取決于許多物理因素。由于存在解剖和生理差異，輻射照射對兒童的影響和對成人的影響是不同的。由于兒童身材矮小，體表組織的屏蔽較少，在給定外照射條件下兒童體內(nèi)器官受到的劑量高于成人。而且由于身材矮于成人，因而他們受到地面沉積的放射性核素的照射劑量也較高。

至于內(nèi)照射，由于兒童身材矮小，內(nèi)部器官相對緊密，所以濃集在一個器官內(nèi)的放射性核素對其他器官的照射比成人相對較多。還有許多其他與年齡有關(guān)的因素，涉及代謝作用和生理機能，使得不同的年齡之間有實質(zhì)性差別。例如，攝入相同數(shù)量的放射性碘-131，嬰兒甲狀腺受到的劑量比成人受到的劑量高9倍。

影響輻射生物效應(yīng)的因素

影響輻射效應(yīng)的因素有很多，基本上可以歸納為兩個方面，一是與輻射有關(guān)，稱為物理因素；二是與機體有關(guān)，稱為生物因素。

1．物理因素

物理因素主要是指：輻射類型、劑量、劑量率及分次照射、照射部位及照射面積和照射的幾何條件等。

（1）不同類型輻射的危害

不同類型輻射及其穿透能力的有關(guān)情況可參考第一章最后一節(jié)。電離輻射對人體的危害主要在于輻射能量導(dǎo)致構(gòu)成人體組織的細(xì)胞受到損傷，不同類型的輻射對人體的危害情況也不同。

α粒子質(zhì)量大、電荷多，在物質(zhì)中的射程很短。能量最大的α粒子在空氣中的射程只有幾厘米，很難穿透人體體表的角質(zhì)層。因此，α輻射源幾乎不存在外照射危害問題。但α輻射源一旦通過吸入或食入進入人體，短射程這一特點就顯得不尋常了。此時α輻射源被人體組織所包圍，損傷幾乎集中在α輻射源附近。若α輻射源沉積在體內(nèi)某一器官，其能量可被該器官全部吸收，導(dǎo)致其受到嚴(yán)重?fù)p傷。因此，α粒子的內(nèi)照射危害需要特別重視。

β粒子在空氣中的射程較大，可以穿透1厘米或2厘米的生物組織。只有能量較高的β粒子才能穿透人體皮膚進入淺表組織，但整體上講β粒子的外照射危害也較小。

X射線和γ射線在空氣和其他物質(zhì)中的射程相對較大，穿透能力強。遠(yuǎn)處的γ輻射源也會危害人體組織。因此，就外照射而言，相對于α、β粒子，γ射線具有更大的危害性。

中子不帶電，跟γ射線類似，不論在空氣還是其他物質(zhì)中射程都較大，對人體的危害主要是外照射。中子引起內(nèi)照射的機會極小，不論是天然中子源還是人工中子源，進入人體的機會都極小。

對于以上幾種常見的輻射，就其相對危害而言，α和β輻射的潛在危害主要來自其內(nèi)照射；而γ射線和中子輻射的潛在危害主要是外照射。

（2）劑量率與分次照射

通常，對單次照射，在劑量率相同的情況下，受照射時間越長生物效應(yīng)則越顯著。同時，生物效應(yīng)與照射的情況有關(guān)，一次大劑量急性照射與總劑量相同下的分次照射相比，產(chǎn)生的生物效應(yīng)會有很大不同。通常分次越多，各次照射之間間隔時間越長，生物效應(yīng)越小。

（3）照射的幾何條件

不同的照射條件所造成的生物效應(yīng)也會有差異，如輻射的角分布、空間分布以及輻射能譜，還有機體在受到照射時的姿勢和受到照射的面積等。

除以上所述之外，在發(fā)生內(nèi)照射的情況下，生物效應(yīng)還取決于進入體內(nèi)的放射性核素的種類、數(shù)量，以及它們的物理化學(xué)性質(zhì)、在體內(nèi)的沉積部位和滯留時間等。

2．生物因素

輻射生物學(xué)研究表明，不同的細(xì)胞、組織、器官或個體對輻射的敏感度是不同的。就不同生物種系而言，機體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對輻射的敏感性越高；對人類而言，隨著年齡增長，對輻射的敏感性會逐漸降低。

因為人體的不同器官或組織對輻射的敏感性不同，所以輻射損傷與人體受到照射部位密切相關(guān)。表3.2給出了人體組織或器官的權(quán)重因數(shù)。

權(quán)重因數(shù)表示不同器官或組織對輻射照射的敏感性，數(shù)值越大意味著更容易受到輻射的傷害。從表3.2中可以看出人體性腺、紅骨髓和結(jié)腸的權(quán)重因數(shù)較大。調(diào)查研究表明，當(dāng)人體受到長期較高劑量電離輻射照射時，最容易產(chǎn)生病變的是生殖系統(tǒng)和造血功能。