Pluarea nucleara a mediului - radiosensibilitatea vietuitoarelor la doze letale de radiatii

Poluarea nucleara este o forma relativ recenta de poluare a mediului dar efectele ei se fac resimtite asupra organismelor animale si vegetale indiferent de locul de emisie a radionuclizilor, asa incat se impune tratarea in ansamblu a acestui fenomen si nu pe diferite compartimente de mediu ca in cazul altor poluanti.

Radiatiile au origine si natura fizica foarte variata:

radiatiile α sunt particule elementare ale nucleului de heliu, emise in special de substantele radioactive naturale, avand o actiune ionizanta puternica;

radiatiile β sunt electroni, cu masa mica si cu viteze apropiate de cea a luminii;

radiatiile γ sunt fotoni, fara sarcina electrica, au o putere de ionizare mai slaba decat radiatiile α si β, dar sunt mult mai penetrante;

radiatiile X sunt unde elecromagnetice de frecvente foarte inalte;

neutronii rezulta din unele reactii nucleare, neavand  sarcina electrica nu au actiune ionizanta directa, decat prin ciocnire cu nuclee, carora le imprima viteze suficient de mari pentru ionizarea mediului;

radiatiile cosmice si alti nucleoni sunt particule elementare ale nucleului de heliu.

Toate aceste radiatii, indiferent de natura lor fizica, au o serie de proprietati comune: sunt invizibile, se deplaseaza cu viteze foarte mari si patrund in organismele vii diferit in functie de natura lor. Astfel, radiatiile α strabat epiderma, radiatiile β strabat cativa centimetri de tesut, iar radiatiile γ si razele cosmice pot strabate chiar si blindaje groase de plumb.

Neutronii actioneaza asupra celulelor si rup fragmente din lanturile de acizi nucleici, producand astfel mutatii genetice, iar radiatiile ionizante au capacitatea de a desprinde electroni din straturile periferice ale atomilor si a-i transforma in ioni cu mare reactivitate chimica, ce modifica diferiti constituenti celulari si determina in celula formarea de peroxizi si alti compusi citostatici.

Efectele radiatiilor depind si de doza lor si de timpul de expunere. Dozele puternice, numite si dozele letale, provoaca moartea organismelor afectate in perioade variabile de timp, iar dozele slabe, subletale, modifica ireversibil structura AND-ului, producand astfel mutatii. In radiobiologie se diferentiaza efectele iradierii de scurta durata si in doze mari, de efectele iradierii permanente si cu doze slabe. Efectele contaminarii radioactive decurg din acest ultim tip de iradiere.

In marea lor majoritate radiatiile au origine naturala, fiind emise de litosfera sau vin din spatiul cosmic. Radiatiile  γ sunt emise de radionuclizi naturali precum uraniu, thoriu, radiu, actiniu, existenti in scoarta terestra. Tot in sol se gasesc alti doi radionuclizi de mare importanta biologica K⁴⁰ si C¹⁴, iar in atmosfera se gaseste radonul produs prin dezintegrarea radiului. Radiatiile cosmice isi au originea in spatiul cosmic, iar radiatiile ultraviolete au origine solara.

In conditii naturale, toate vietuitoarele sunt expuse permanent la surse de radiatii, cu intensitate diferita in functie de mediul de trai, de aceea se considera ca toate speciile sunt adaptate intr-o maniera satisfacatoare la anumite limite naturale ale radiatiilor.

Radiatiile ionizante prezinta in biosfera un risc potential de leziuni patologice somatice si genetice, mai ales in ultimele decenii, ca urmare a utilizarii energiei nucleare in scopuri militare si industriale. Radiatiile ionizante au doua categorii distincte de efecte: somatice si genetice.

Efectele somatice se manifesta asupra fiziologiei individului expus si provoaca tulburari variabile, de la reducerea semnificativa a sperantei medii de viata pana la moartea aproape instantanee a individului.

Efectele genetice ale radiatiilor ionizante se manifesta pregnant asupra gametogenezei. In timpul meiozei sensibilitatea celulelor la radiatii este deosebit de mare, ceea ce explica actiunea lor puternica mutagena. Mutatiile genetice, letale sau subletale, au loc prin alterari cromozomiale (translocatii, deletii, etc.) si prin alterari genetice ale codului genetic, cand sub actiunea radiatiilor ionizante iau nastere radicali liberi, care reactioneaza cu bazele azotate si altereaza structura chimica a codonului,  deci produc mutatii chimice.

1. Radiosensibilitatea vietuitoarelor la doze letale de radiatii

Analiza: Rezervatia biosferei Delta Dunarii - istoric, configuratie geografica, relieful Eseu: Atmosfera

Dozele letale sunt doze puternice de radiatii, care provoaca moartea indivizilor expusi, in intervale diferite de timp, in functie de doza de radiatii, de timpul de expunere, specie, varsta, natura tesutului iradiat, etc. Doza letala 50 (DL 50) este doza teoretica la care 50% din populatia iradiata moare dupa un interval determinat de timp. Dozele de radiatii se exprima in rad sau in remi.

Radiosensibilitatea vietuitoarelor este cu atat mai mare cu cat gradul de evolutie si complexitate a organismului este mai mare. Cele mai rezistente sunt bacteriile si cele mai sensibile sunt vertebratele homeoterme. De exemplu, DL 50, la o singura expunere, la bacterii este de 1 milion de razi, la plante de cateva sute de mii, la artropode de 50.000, iar la mamifere de cateva sute de razi.

In cadrul aceluiasi grup sistematic radiosensibilitatea difera in functie de specie. De exemplu, la musca DL 50 este de 100.000 de razi, la musculita de otet 85.000 de razi. La unele specii de scorpioni si coleoptere DL 50 este de 150.000 razi.

La om, la doze cuprinse intre 1.000 si 100.000 de razi, moartea survine in zile, ore sau minute, in functie de doza de radiatii. La 700 de razi apare o mortalitate de 90% in urmatoarele saptamani, la 200 de razi mortalitatea este de 10% in urmatoarele luni, iar sub 100 de razi creste semnificativ aparitia de cancere, apare sterilitate permanenta la femei si sterilitate temporara la barbati.

Boala de iradiatie se poate manifesta, in functie de sensibilitatea individuala, prin trei forme:

o forma hematopoetica, ce apare la o doza de 100 de razi, moartea survenind la circa o luna, daca nu se intervine printr-un tratament adecvat;

o forma intestinala, care apare la o doza de prag de 500 de razi, moartea survenind dupa circa doua saptamani;

o forma cerebrala, ce apare la o doza de prag de 2000 de razi, producand moartea in doua zile:

Radiosensibilitatea vietuitoarelor depinde si de varsta indivizilor expusi la radiatii. Embrionii si animalele tinere sunt mai sensibile decat adultii datorita activitatii mitotice a celulelor, mult mai activa la formele tinere. Efectele radiatiilor depind si de natura tesutului iradiat. Gonadele si maduva osoasa hematopoetica, in care diviziunile celulare sunt intense, sunt mai sensibile decat neuronii, celule care nu se mai divid la adulti.

2. Radiosensibilitatea vietuitoarelor la doze subletale de radiatii

Dozele subletale de radiatii sunt dozele sub un anumit prag de intensitate, care nu provoaca moartea directa a organismelor iradiate, dar produc efecte somatice si genetice evidente, in functie de intensitatea dozei, timpul de expunere, specia iradiata, etc.

Dozele subletale de radiatii ionizante scad vigoarea fiziologica a indivizilor expusi, adica incetinesc cresterea, micsoreaza rezistenta la intoxicatii cu substante toxice, micsoreaza capacitatea imunitara de aparare a organismului.

Radiatiile ionizante altereaza genomul in diferite maniere, inducand mutatii subletale defavorabile, care se manifesta in a II-a si a III-a generatie. Ele reduc sinteza acizilor nucleici si prin aceasta sinteza proteinelor si scad capacitatea de a elabora anticorpi si deci slabesc capacitatea de aparare imunitara a organismului. Pe acest fenomen se bazeaza chirurgia transplantului de organe, in care trebuie evitat fenomenul de respingere a grefelor. Usurinta cu care se fac transplanturi de maduva la persoane iradiate accidental decurge din aceste efecte ale radiatiilor ionizante.

Dozele subletale de radiatii ionizante afecteaza si caracterele demoecologice ale populatiilor expuse: scad longevitatea indivizilor, micsoreaza coeficientul de crestere naturala a populatiei prin sterilizare totala sau partiala, scad potentialul biotic al populatiei prin reducerea longevitatii si prin scurtarea perioadei de depunere a pontei.

Expunerea cronica la doze subletale de radiatii ale celulelor sexuale arata ca radiosensibilitatea difera in functie de gradul de evolutie al organismului. La artropode dozele radiosterilizante sunt cuprinse intre 1.000 – 80.000 de razi, in timp ce la mamifere dozele radiosterilizante sunt de circa 100 de razi, femelele fiind mai sensibile decat masculii.

Efecte somatice si genetice ale radiatiilor apar numai la o anumita doza critica, sub aceasta nu apar efecte decelabile. Notiunea de prag de nocivitate sau doza de prag a radiatiilor este vehement contestata, datorita efectului cumulativ al radiatiilor. Se accepta ideea ca toate dozele de radiatii prezinta un anumit grad de risc in carcinogeneza, cel putin pentru o anumita parte a populatiei.

Radiatiile ionizante produc modificari morfologice si fiziologice la nivel molecular, celular si tisular. La nivel molecular se produc modificari biochimice concretizate in reducerea concentratiei de proteine si aminoacizi. La nivel celular se produc modificari functionale (reducerea capacitatii de crestere si secretie, micsorarea permeabilitatii) si morfologice (distrugerea nucleului si lichefierea citoplasmei). La nivel tisular se produc tulburari ale maduvei osoase, epiteliului intestinal si al gonadelor.

Expunerea omului la radiatii ionizante are un efect autoamplificator de natura genetica, deoarece actiunea mutagena a acestor radiatii este de tip cumulativ nu numai la nivelul individului ci si in descendenta. Efectele genetice ale radiatiilor se manifesta prin modificarea raportului dintre sexe (se nasc mai multe fete, care transmit direct generatiei urmatoare handicapuri fizice si intelectuale), nasterea de copii malformati, nasterea de copii cu tulburari fiziologice si psihice.

Marimea mutatiei la un individ provenit din parinti iradiati creste proportional cu doza primita de parinti in timpul vietii lor, astfel incat o mutatie mica, ce trece neobservata in prima generatie, poate declansa o adevarata catastrofa genetica la generatiile urmatoare.

In conditii naturale omul este supus la doze diferite de radiatii, care depind de altitudinea la care traieste (dozele sunt mai mari la altitudini ridicate) si de natura solului pe care traieste (radioactivitatea naturala este mai mare pe soluri granitice decat pe cele sedimentare). Comisia Internationala de Protectie Radiobiologica a stabilit ca doza limita de radiatii la care poate fi expus omul fara consecinte negative este dublul dozei medii la care este supus in conditii naturale.

Iradierea totala la care este supus omul in conditii naturale este de:

207 m rad/an – la altitudinea de 3000 m si pe sol granitic;

142 m rad/an – la nivelul marii si pe sol granitic;

75 m rad/an – la nivelul marii si pe sol sedimentar;

52 m rad/an – la nivelul marii.

Principalele surse de expunere a omului la radiatii ionizante pot fi naturale si artificiale. Sursele naturale sunt radiatiile cosmice, radioactivitatea rocilor, radonul atmosferic, ingerarea de radionuclizi naturali. Sursele tehnologice de radiatii sunt deseurile din industria nucleara (1,8 m rad/an), caderile radioactive (1,3 m rad/an), radiografiile medicale (100 m rad/an) si ecranele televizoarelor (10 m rad/an).

Specia umana este perfect adaptata la radioactivitatea naturala din mediu, lucru dovedit si de faptul ca anumite populatii umane traiesc la altitudini mari si pe soluri cristaline, cu radioactivitate mare, fara a fi afectate.

3. Caderile radioactive si consecintele lor ecologice

Caderile de substante radioactive pe sol si in apele Oceanului Planetar au ca sursa experimentele de inginerie nucleara in atmosfera, in perioada de incercare a armamentului nuclear si accidentele de la centrale nucleare.

Prima experienta nucleara a avut loc la Las Alamos in SUA, la 16 aprilie 1945, data care este considerata inceputul erei nucleare. Experientele nucleare, desfasurate in aer sau in apa, au generat nori radioactivi care s-a imprastiat desupra intregii planete. In perioada 1954 – 1962, perioada de incercare a armelor nucleare, au fost aruncate in atmosfera produse de fisiune (in special Sr⁹⁰ si Cs¹³⁷) echivalente exploziei a 8500 de bombe atomice ca cea de la Hiroshima.

In 1962 a fost adoptat tratatul de interzicere a exploziilor nucleare in atmosfera, dar exploziile subterane au continuat sa fie experimentate in Franta, China si mai recent in India.

Din substantele radioactive patrunse in atmosfera in urma exploziilor nucleare circa 30% cad in imediata vecinatate a exploziei, iar 70% se ridica in atmosfera si cad treptat pe sol departe de locul exploziei, raspandind la scara planetara poluarea nucleara. Puterea exploziei poate ridica cenusa radioactiva pana in stratosfera, de unde revine pe sol timp de decenii, contaminand intreg Pamantul. O alta parte din radionuclizi sunt readusi pe sol de precipitatii si ajung apoi in apele de suprafata, de unde sunt incorporati in biomasa animala si vegetala.

Solul retine cu predilectie doi radionuclizi de mare importanta biologica: Sr⁹⁰ si Cs¹³⁷. Retinerea acestor radioelemente de catre sol (in special solurile acide care fixeaza Sr⁹⁰) le face in cea mai mare parte inaccesibile pentru plante. Totusi, o parte a acestora trec prin radacini si frunze si se acumuleaza in biomasa.

Radionuclizii care cad pe sol si in ape provoaca o contaminare rapida a lanturilor trofice din ecosistemele acvatice si terestre. Sunt contaminate alimentele umane: Sr⁹⁰ si I¹³¹ se concentreaza in cantitati mari in lapte, iar Cs¹³⁷ in lapte si carne.

Substantele radioactive din apa si alimente se concentreaza selectiv in anumite tesuturi. Iodul¹³¹ se concentreaza cu predilectie in celulele endocrine tiroidiene, printr-un mecanism de transport activ, producand afectiuni ale glandelor tiroidiene (noduli tiroidieni), iar Cs¹³⁷ si Sr⁹⁰ se acumuleaza in oasele si muschii vertebratelor homeoterme, producand afectiuni ale sistemului osos.

Caderile radioactive provoaca si o contaminare puternica a paturilor superficiale ale oceanului, in timp ce apele profundale pot fi contaminate de deseurile radioactive depozitate pe fundul gropilor oceanice.